contributii privind studiul sistemelor hibride de actionare - IPA SA

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
CONTRIBUTII PRIVIND STUDIUL SISTEMELOR
HIBRIDE DE ACTIONARE
Contract CEEX nr 5558/X2C31
Coordonator: Emilian Lefter, Universitatea din Pitesti
Parteneri: Aurelian Craciunescu, UP Bucuresti, Ioan Stainescu, ICPE-SAER SA Bucuresti,
Laurentiu Patularu, INC-DTCI-ICSI, Rm. Valcea, Irina Nita Univ. Ovidius, Constanta
Abstract. In aceasta lucrare se prezinta o serie de contributii privind realizarea unui echipament de
cercetare a sistemelor hibride de actionare, cu aplicatii in domeniul automobilelor: structura standului,
sistemul de alimentare cu energie electrica si sitemul de control.
1. Realizarea unui stand hibrid si economic
Variantele de actionare hibrida cu aplicatii la tractiunea auto pot fi: serie, paralel, serie-paralel si
complex.
Obtinerea unei structuri mecanice capabile sa realizeze cat mai multe combinatii a fost un
deziderat realizat prin doua sisteme de divizare a fluxurilor de putere, printr-un arbore sectionat si
doua sisteme de blocare electromagnetice.
Sistemele de divizare ale fluxurilor de putere sunt in numar de doua: unul este alcatuit dintr-un
mecanism planetar, MP, iar cel de-al doilea este dat de insasi constructia motorului termic, MT, cu
arborele cu acces la ambele capete.
Primul sistem de divizare cu MP primeste fluxurile de putere de la cele doua motoare de
tractiune : motorul termic MT si motorul electric ME si-l transmite prin sistemul de transmitere, Tr,
catre modelul de automobil format dintr-un volant, V, cu momentul de inertie Jv si un generator
GE2, pentru simularea rezistentelor la inaintare. Motorul MT este conectat la MP printr-un arbore
sectionat, AS, si la un generator electric, GE1, printr-un cuplaj electromagnetic AE1. Arborele
sectionat are in componenta un ambreiaj electromagnetic AE si o frana electrica FE.
Fig. 1 Structura mecanica a standului
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007
119

120
PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
Structura astfel dezvoltata permite functionarea:
numai cu MT – ca in cazul automobilului clasic ;
numai cu ME – ca in cazul tractiunii electrice;
varianta hibrid serie – motorul ME asigura tractiunea automobilului alimentandu-se de
la un ansamblu de baterii, B. Cand starea de incarcare a bateriei SDI este la nivelul
inferior SDIJ atunci MT actioneaza GE1 care va debita pe ansamblul de baterii, B;
varianta hibrid paralel – asupra modelului de automobil actioneaza atat motorul MT cat
si motorul ME, GE2 functioneaza numai in anumite situatii.
Volantul V si GE2 formeaza un ansamblu ideal pentru determinarea comportarii
automobilului in regimurile statice si dinamice.
S-a determinat ca modelul de automobil realizat pentru o masa ma si o viteza a
automobilului v, poate sa simuleze functionarea si altor automobile cu respectarea conditiilor:
in care:
K v v
v '
(1)
K
K v
K
m
v'
(2)
v
m '
(3)
a
m
ma
cu: v’ – viteza noului automobil;
ma’ – masa noului automobil;
ωv – viteza unghiulara a volantului;
ωv’ – viteza unghiulara a volantului corespunzatoare vitezei v’ a noului automobil.
2. Solutia de alimentare cu energie electrica
Sistemul de alimentare cu energie electrica, SAEE, se dezvolta secvential si va fi, in final,
un sistem hibrid complex ( fig.2 )
Fig. 2 SAEE al standului
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
La conceperea SAEE s-a avut in vedere: utilizarea caracteristicilor favorabile pentru fiecare
sursa; utilizarea celor mai noi surse de producere/stocare a energiei electrice cum ar fi pila de
combustie PC si ultracondensatorul UC; obtinerea unei structuri hibride complexe care sa ofere
posibilitatea unui studiu asupra comportarii surselor in diferite combinatii si regimuri; obtinerea
unei structuri utilizabile si pentru alte aplicatii, dar cu preturi de cost rezonabile.
La ora actuala SAEE cuprinde ansamblul de baterii de acumulatoare B, generatorul GE1 cu
elementele aferente ( sistemul de urmarire a starii de incarcare a bateriei, SDI, blocul de decizie BD
la atingerea pragurilor de jos si de sus a SDI, motorul MT, redresorul Rd si un regulator de tensiune
RU ) si blocul de recuperare a energiei format din GE2 , convertorul cc/cc (14-48Vcc),
ultracondensatorul UC (110F/48Vcc) convertorul cc/cc (48-220 Vcc) si urmeaza sa se adauge
sistemul format din pila de combustie PC (8 kW/72Vcc) cu convertorul cc/cc (72/220Vcc).
Fiecare parte a SAEE a presupus o analiza. De exemplu, alegerea bateriilor de acumulatoare,
pe langa aspectele energetice ale standului, ale puterii si energiei cerute de la baterie, a presupus si o
comparare a principalelor tipuri de baterii: baterii acide, Ni – MH, Li – Ion. Decizia finala a fost de
a utiliza un ansamblu de 16 baterii x 12V x 24 Ah, fabricate in tara.
Pentru UC am dezvoltat mai multe sisteme de calcul, pornind si de la metodologia indicata
de fabricant.
Alegerea PC, desi nu sunt multi furnizori, presupune, in afara de aspectele tehnice, si o
analiza tehnico – economica. Am optat pentru o structura de pile de combustie care necesita un
numar limitat de componente exterioare, au un pret rezonabil, comparativ cu alte oferte si au o
putere relativ mare.
3. Solutia de control a standului
Pentru functionarea corecta a ansamblurilor si a tuturor componentelor a fost necesara
adaugarea unui sistem de monitorizare si control.
Monitorizarea standului este asigurata cu ajutorul sistemului de achizitie de date (SAD) de
tip National Instruments NI 6023E, iar comanda cu un PLC (automat programabil) de tip ZELIO
SR3B261BD/Schneider Electric, cu extensia pentru iesiri analogice SR3XT43BD, modulul de
comunicatii MODBUS MBU01BD si sursa de alimentare la 24V, 32A, 72W, - ABL7RP2403.
Automatizarea are rolul de a conduce logic standul preluand marimile de comanda ale
conducatorului (pornire, stabilirea turatiei/vitezei dorite, franarea, etc) si principalele marimi din
proces, respectiv cuplul T0 si turatia de la arborele de iesire n0 a sistemului de actionare. Functie de
n0 si T0, tinand seama de caracteristicile motoarelor si de regimul de functionare, se da comanda
catre ME sau MT. Clapeta de acceleratie a MT se actioneaza selectand doar pozitiile optime.
Motorul electric se actioneaza in vederea stabilirii turatiei nME, cuplului necesar TME si acceleratiei.
Schema ( Fig. 3) va asigura functionarea in urmatoarele regimuri: pornire (START),
functionare numai electrica, functionare numai termica, functionare hibrida, accelerari, decelerari
sau franari.
Conditia de corecta functionare este indeplinita cand suma dintre cuplul TME generat de
motorul electric si cuplul TMT generat de motorul termic satisfac cererea de cuplu total T0 maxim la
volant. Mai mult de atat, este necesar si un reglaj fin al raportului dintre cupluri TME/TMT, astfel
incat dispozitivul mecanic de insumare sa functioneze corect, fara socuri si vibratii. In consecinta,
algoritmul implementat dispune de module program pentru ME, MT si generatoarele GE1 si GE2
prin care se regleaza cuplurile aplicate mecanismului planetar. Alt obiectiv important al
controlerului realizat este comutarea lina, fara oscilatii la schimbarile de regim sau ale surselor de
forta.
Solutia de control integrata va cuprinde doua bucle de reglare de tip PI, una pentru partea de
actionare electrica si alta pentru partea de actionare cu motor termic. Functionarea acestor doua
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007
121

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
bucle de reglare este coordonata pentru obtinerea unui cuplaj lin al celor doua sisteme, electric si
termic, si obtinerea unui consum optim energetic al standului.
122
Fig. 3. Structura platformei hibride cu sistemul de control
BIBLIOGRAFIE
[1] Programul: AMTRANS, Nr. contract si denumirea proiectului: CEEX-M1-C2-5558 (X2C31), Cercetări
teoretice si experimental demonstrative ale sistemelor de propulsie electrică si hibridă pentru dezvoltarea
sistemelor de transport competitive si durabile, EtapaI, II - Rapoarte de cercetare
[2] Aspects Regarding Projecting a Hybrid Electrical System with Applications in Automotive Traction,
Lefter, Em., Diaconescu, E., Constantinescu, L.M, H2_fuel_cells_millenium convergence 2007, The first
european conference on application, integration, control, modelling, testing and intelligent control, and
intelligent modelling, of fuel cells and H2 applications and theirs economic / environment consequences
2007, september 21-22, Academia Romana, Bucharest, Romania.
[3] Aspects Regarding the Design of a Hybrid Electric Stand, Lefter, Em., Nicolae,V., ACTA TECHNICA
NAPOCENSIS, series Applied Mattematics and Mechanics 50, vol IV,2007, INTERNATIONAL
CONGRESS AUTOMOTIVE, ENVIRONMENT AND FARM MACHINERY, AMMA 2007,11-13
oct.,2007, Univ. Tehnica, Cluj- Napoca, ROMANIA
[4] Stand experimental pentru studiul automobilelor electrice hibride, LEFTER, Em., Constantinescu, L.M.,
Simpozionul National de Electrotehnică Teoretică, SNET’07, 12-14 octombrie 2007, Bucuresti,, sectiunea
P3, imprimare CD, Universitatea Politehnica Bucuresti
[5] Evaluarea stării bateriilor de acumulatoare acide, LEFTER, Em., Constantinescu, L.M., Simpozionul
National de Electrotehnică Teoretică, SNET’07, 12-14 octombrie 2007, Bucuresti,, sectiunea P3, imprimare
CD, Universitatea Politehnica Bucuresti
[6] Probleme ale utilizării ultracondensatoarelor in domeniul auto, LEFTER, Em., Constantinescu, L.M.,
Simpozionul National de Electrotehnică Teoretică, SNET’07, 12-14 octombrie 2007, Bucuresti,, sectiunea
P3, imprimare CD, Universitatea Politehnica Bucuresti.
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007