Тягові електроприводи для електричних транспортних засобів з гібридним джерелом живлення на основі акумуляторних батарей та суперкнонденсаторів

Асинхронний тяговий електропривод електробусу з гібридним джерелом живлення на основі акумуляторних батарей та суперкнонденсаторів

Тяговий електропривод електробусу з гібридним джерелом живлення.

У 2016 році групою науковців кафедри автоматизації електромеханічних систем та електроприводу КПІ ім. Ігоря Сікорського розпочато виконання розробки тягового асинхронного електроприводу для електричних транспортних засобів (ЕТЗ), таких як електромобілі, електроавтобуси та інші.

Мета проекту – налагодження серійного виробництва тягових асинхронних електроприводів для екологічно чистого електричного транспорту на території України.

Результат

Розроблено дослідний зразок електромеханічної системи електробусу з тяговим векторно-керованим асинхронним електроприводом потужністю 100 кВт, який забезпечує адаптивне енергоефективне векторне керування координатами тягового асинхронного двигуна електричного транспортного засобу, а також функцій автоматизації, які є стандартними для електроприводів транспортних засобів останніх поколінь.

До складу дослідного зразка входять: силовий напівпровідниковий перетворювач з максимальною потужністю 100 кВт, керуючий контролер на основі 32-розрядного цифрового сигнального процесора, асинхронний двигун з максимальною потужністю 100 кВт,  датчик швидкості, панельний комп’ютер для організації робочого місця водія.

Розроблено гібридне джерело живлення малої потужності, яке складається з акумуляторного блоку, швидкого накопичувача енергії на базі суперконденсаторів, силових DC-DC перетворювачів, керуючого контролера з реалізованими алгоритмами для раціонального керування процесами енергообміну між електроприводом і ГДЖ, сенсорної та інтерфейсної підсистем.

Розроблено нові методи та алгоритми векторного керування тяговими АД, які мають самостійне загальнотеоретичне значення, вперше забезпечують відпрацювання моменту (кутової швидкості) з максимізацією співвідношення момент/струм, сприятливу поведінку струмів статора в динаміці, адаптацію до варіацій активних опорів статора і ротора, завдяки чому зменшуються активні втрати в АД і відповідно підвищується ККД (на 3-5%)  в умовах міського циклу руху.

Розроблено та досліджено експериментально нові методи керування DC-DC перетворювачами гібридного джерела живлення. Розроблено програмне забезпечення яке реалізує: алгоритми адаптивного енергоефективного керування асинхронними двигунами на цифровому сигнальному процесорі; телеметрію електромеханічної системи з використанням панельного комп’ютера водія; керування DC-DC перетворювачами.

Розроблено комплект ескізної технічної документації на дослідний зразок для організації виробництва тягового асинхронного електроприводу потужністю до 100 кВт. Розроблено методику проведення ходових випробувань в умовах реального електричного транспортного засобу.

Графічний інтерфейс водія

Функціональна схема тягового асинхронного електроприводу показана на Рис. 1.

Рис. 1. Функціональна схема асинхронного електроприводу для електричних транспортних засобів

Представлена схема є уніфікованою, оскільки передбачає значну кількість конфігурацій живлення, які сьогодні розглядаються в світовій практиці:

• акумуляторне живлення – найбільш розповсюджене;
• суперкондесаторне живлення – має обмежене використання;
• гібридне живлення – найбільш перспективне на сьогодні рішення.

В показаній на Рис. 1 конфігурації керуючий контролер здійснює керування електромеханічним перетворенням енергії в асинхронному двигуні для забезпечення руху транспортного засобу і на основі цього узгоджено керує потоками енергії в колі автономне джерело-перетворювач частоти електроприводу за рахунок впливу на DC-DC перетворювач. Принциповою особливістю структури Рис. 1 є її універсальність, яка дозволяє реалізовувати усі три можливі конфігурації живлення.

Накопичувачі енергії на основі акумуляторних батарей мають великий запас енергії (на порядок і більше у порівнянні з суперконденсаторами), низьку специфічну потужність, значний час  заряду, обмежену кількість циклів заряд-розряд, відносно низьку (у порівнянні із суперконденсаторами) вартість за кВт-год. З іншого боку у суперконденсаторів малий запас енергії, велика специфічна потужність, швидкий  заряд, значна кількість циклів заряд-розряд, значна вартість за кВт-год. Зокрема акумуляторна батарея LiFePo4 потужністю 78 кВт коштує близько 30 тис. $ та забезпечує пробіг малого електробусу (класу «Богдан А92») до 150 км. В той же час батарея суперконденсаторів вартістю близько 90 тис. $ забезпечує лише 10 км пробігу. Властивості різних джерел живлення проілюстровано в таблиці 1.

Порівняльні характеристики джерел живлення

Виходячи з  малого запасу енергії та значної вартості за кВт-год, ЕМС електробусу з  суперконденсаторним живленням можуть потенційно розглядатися для перевезень на короткі відстані (до 8-10 км) в умовах міст на маршрутах, які обладнані коштовними зарядними станціями.

Системи з гібридними джерелами живлення на основі акумуляторних батарей і суперконденсаторів дозволяють поєднати переваги кожного з накопичувачів енергії без суттєвого збільшення вартості системи. Координоване з електроприводом керування DC/DC перетворювачами підвищує коефіцієнт використання енергії рекуперації до 75 %, а також дозволяє до 20% збільшити ресурс АКБ за рахунок уникнення ударних навантажень на батарею.

Запланованими сферами застосування даної технології будуть:

• електричні автобуси (нові, що випускатимуться на підприємствах автобудівного профілю, а також переобладнані традиційні автобуси);
• малі вантажні електромобілі для кур’єрських служб, внутрішньо-міських поштових перевезень, комунальних служб;
• електромобілі.

Авторський колектив розробників кафедри автоматизації електромеханічних систем та електроприводу КПІ ім. Ігоря Сікорського запрошує зацікавлені організації та підприємства долучитися до участі в даному ініціативному проекті в якості співвиконавця або інвестора.

Ми готові розглянути будь-які Ваші пропозиції!

Від імені колективу розробників

Науковий керівник – проф., д.т.н. Сергій Михайлович Пересада
Відповідальний виконавець – доц., к.т.н. Сергій Миколайович Ковбаса
Телефон: 8-044-241-86-56, 8-044-236-99-30
e-mail: skovbasa [at] ukr.net