Разработка ёмкостно-индуктивной системы электроснабжения электромобиля

Полный текст

Введение

Анализ накопителей энергии современного электрического транспорта позволил выявить основные недостатки аккумуляторных батарей. К ним относятся низкие удельные параметры по энергии и мощности, а также ухудшение характеристик при увеличении тока и снижении температуры окружающей среды [1]. Это приводит к тому, что запас хода у электромобиля в несколько раз меньше, чем у аналогичной колёсной машины с ДВС (двигателем внутреннего сгорания). Кроме того, время заряда тяговой аккумуляторной батареи составляет несколько часов, в то время как заправка топливного бака легкового автомобиля происходит примерно за минуту. В связи с этим проблема разработки альтернативной системы тягового электрооборудования является весьма актуальной.

Передача энергии на борт электромобиля бесконтактным способом может оказаться перспективным решением. В табл. 1 сведены данные по научно-исследовательским и опытно-конструкторским разработкам в области бесконтактного электроснабжения электромобилей [2–11].

 

Табл. 1. Некоторые разработки в области бесконтактного электроснабжения электромобилей

Table 1. Some developments of wireless power transfer systems for electric vehicles

Название НИОКР	Страна	Год	Тип транспортного средства	Мощность, кВт	КПД, %	Частота, кГц
Bombardier PRIMOVE	Канада	2018	трамвай, электробус	200	85	20
KAIST OLEV 4G	Республика Корея	2015	электробус	100	80	20
Qualcomm FABRIC	США	2017	электромобиль	20	85	85
ORNL	США	2022	тягач, электробус, электромобиль	200	85	85
Electreon	Израиль	2023	тягач, электробус, электромобиль	70	85	85
Toyota	Япония	2020	электробус, электромобиль	10	85	85

 

Резонансная система бесконтактного электроснабжения с одной первичной обмоткой

На рис. 1 представлена электрическая схема системы бесконтактного электроснабжения электромобиля с одной первичной обмоткой [1].

 

Рис. 1. Электрическая схема системы бесконтактного электроснабжения электромобиля с одной первичной обмоткой.

Fig. 1. Circuit diagram of an electric vehicle’s wireless power transfer system with one primary coil: 1: source of electricity; 2: voltmeter; 3: exciting coil; 4: armature coil; 5: rheostat; 6: acceleration pedal; 7: traction accumulator battery.

 

Для компенсации реактивной мощности в схеме служат конденсаторы C_p и C_s, а также индуктивности L_s. Первичная обмотка L₁ размещена под поверхностью дорожного полотна и имеет трансформаторную связь со вторичной обмоткой L₂, установленной на борту электромобиля. Напряжение к первичной обмотке приложено от источника электроэнергии U1. Выходное напряжение преобразуется однофазным двухполупериодным выпрямителем для заряда тяговой аккумуляторной батареи.

Наибольшая эффективность системы достигается при передаче энергии на резонансной частоте:

${\omega }_D=\frac{1}{\sqrt{L_{1s}{C}_{1p}}}=\frac{1}{\sqrt{L_{2s}{C}_{2p}}}$. (1)

Индуктивности компенсирующих катушек определяются исходя из индуктивностей первичной и вторичной обмоток [12]:

$L_{1s}={\alpha }_1{L}_1$; $L_{2s}={\alpha }_2{L}_2$, (2)

где α — расчётный коэффициент. Выбирается произвольно в диапазоне 0<α≤1.

Ёмкости сериесных конденсаторов:

$C_{1s}=\frac{1}{{\omega }_d^2{L}_1(1-{\alpha }_1)}$, $C_{2s}=\frac{1}{{\omega }_d^2{L}_2(1-{\alpha }_2)}$. (3)

Характеристика выходного напряжения инвертора:

$U_1=\frac{2\sqrt{2}}{\pi }{U}_{\mathrm{1,}DC}\sin \left(\frac{\pi D}{2}\right)$, (4)

где D — коэффициент заполнения инвертора.

Действующее значение входного напряжения выпрямителя определяется по формуле (5):

$U_2=\frac{2\sqrt{2}}{\pi }{U}_{\mathrm{2,}DC}\approx \mathrm{0,9}{U}_{\mathrm{2,}DC}$. (5)

Первичный и вторичный токи:

$I_{L1}=\frac{U_1}{j{\omega }_d{\alpha }_1{L}_1}$, $I_{L2}=\frac{U_2}{j{\omega }_d{\alpha }_2{L}_2}$. (6)

Выходной ток инвертора:

$I_1=\frac{M{U}_1}{{\omega }_d{\alpha }_1{L}_1{\alpha }_2{L}_2}$. (7)

Входной ток выпрямителя:

$I_2=\frac{M{U}_2}{{\omega }_d{\alpha }_1{L}_1{\alpha }_2{L}_2}$. (8)

Таким образом, передаваемая мощность может быть вычислена согласно выражению:

$P_2=\frac{M{U}_1{U}_2}{{\omega }_d{\alpha }_1{L}_1{\alpha }_2{L}_2}$. (9)

Основными преимуществами систем с одной первичной обмоткой являются удобство управления и высокая удельная первичная мощность. К числу недостатков можно отнести низкую удельную вторичную мощность.

На рис. 2 представлена электрическая схема резонансной системы электроснабжения электромобиля с несколькими первичными обмотками [1].

 

Рис. 2. Электрическая схема резонансной системы электроснабжения электромобиля с несколькими первичными обмотками.

Fig. 2. Circuit diagram of an electric vehicle’s magnetic coupling resonant power transfer system with multiple coils.

 

Резонансная система электроснабжения с несколькими первичными обмотками

В данной системе инверторы и компенсирующие устройства соединены параллельно, что позволяет реализовать систему с несколькими первичными обмотками. Напряжение к каждой из них подводится индивидуально. В остальном устройство и принцип действия аналогичны системе, рассмотренной выше.

Выходная мощность:

$P_2=\left|{\sum }_{n=1;3;\mathrm{5...}}\frac{M_{n2}{U}_n{U}_2}{{\omega }_d{\alpha }_1{L}_1{\alpha }_2{L}_2}\right|$. (10)

Анализируя (10), можно сделать вывод, что передаваемая мощность определяется как модуль суммы мощностей первичных обмоток. Таким образом, включение какой-либо первичной обмотки не всегда приводит к повышению мощности во вторичной, т. к. вектор магнитной индукции может быть направлен против основного потока. В этом случае инвертор, управляющий отрицательно связанной обмоткой, должен быть отключён.

На рис. 3 представлены кривые изменения КПД системы во времени [12]. Как видно из характеристики, эффективность устройства весьма высока и составляет порядка 92%.

 

Рис. 3. Кривые изменения КПД системы во времени.

Fig. 3. Temporal variation curves of system efficiency: DC to DC efficiency (%) is the energy transfer efficiency from inverter to battery in percent; time t, (s) is the time in seconds; η_DC-DC is the efficiency; moving average of η_DC-DC is the average efficiency.

 

Основным преимуществом системы является высокая эффективность. К числу недостатков относятся сложная система управления и низкая удельная первичная мощность.

Электростатическая система электроснабжения

Рассмотренные выше способы передачи электроэнергии на борт транспортного средства предполагают организацию воздушного трансформатора. Таким образом, в основе их работы лежит закон электромагнитной индукции Фарадея:

$\epsilon =w\frac{d\Phi }{dt}$, (11)

где w — число витков обмотки; Ф — магнитный поток, Вб.

В данном разделе приведён способ передачи электроэнергии через воздушный конденсатор.

Устройство системы электроснабжения транспортного средства методом электростатической индукции [13] представлено на рис. 4.

 

Рис. 4. Устройство системы электроснабжения транспортного средства методом электростатической индукции: 1 — электромобиль; 2 — источник электроэнергии; 3 — вторичная обмотка трансформатора; 4 — первичная цепь трансформатора; 5, 8, 9 — сетевые кабели; 6 — нейтральная пластина; 7 — преобразовательно-коммутационная аппаратура; 10 — опорная поверхность; 11 — бортовой накопитель энергии; 12 — воздушный промежуток; 13 — колесо.

Fig. 4. Electric coupling power transfer system of an electric vehicle: 1: aelectric vehicle; 2: power supply; 3: secondary coil of transformer; 4: primary coil of transformer; 5, 8, 9: power supply cables; 6: neutral plate; 7: switching converter; 10: bearing surface; 11: on-board energy storage; 12: air gap; 13: wheel.

 

Источник электроэнергии питает трансформатор, соединённый с сетевыми кабелями. Между ними и нейтральной пластиной конденсатора возникает электростатическое поле. Для согласования входного напряжения и напряжения заряда бортового накопителя служит преобразовательно-коммутационная аппаратура.

Мощность, передаваемая через воздушный конденсатор на транспортное средство:

$P=2K_0\pi f_{0}C{V}^2$, (12)

где ƒ₀ — резонансная частота, Гц; С — ёмкость воздушного конденсатора, Ф; V — напряжение в линии, В; К₀ — коэффициент связи.

Преимущества:

• высокая эффективность;
• высокие свойства управляемости электромобиля;
• возможность электроснабжения других транспортных средств, в том числе с движителями из диэлектрического материала.

Недостатки:

• большие габариты оборудования;
• низкая удельная энергия;
• высокие требования к источнику электроэнергии.

Разработка структурной схемы тягового электрооборудования электромобиля с ёмкостно-индуктивной системой электроснабжения

Проведённый обзор и анализ различных способов бесконтактной передачи энергии, а также НИОКР по теме исследования показал широкие перспективы использования индуктивного способа передачи с одной первичной обмоткой в связи со следующими преимуществами: малые габариты оборудования, высокая удельная энергия, возможность использования источников энергии с низкими параметрами, удобство в эксплуатации, а также высокая эффективность.

Использование электрической тяги на транспорте обладает рядом преимуществ [14]. Однако удельная энергия тяговых аккумуляторных батарей не превышает 576 Дж/г, что примерно в 100 раз ниже, чем у бензина или дизельного топлива [20]. В связи с этим электромобили оборудованы аккумуляторными батареями, масса которых достигает 30% полной массы транспортного средства при равных значениях запаса хода с аналогичным автомобилем [1]. С другой стороны, электромобили в настоящее время эксплуатируются преимущественно в городах, где наблюдается циклический режим движения с постоянным чередованием фаз разгона, равномерного движения, торможения и остановки.

Циклом для испытаний транспортных средств на топливную экономичность и токсичность отработавших газов принят цикл, указанный в правилах № 83 ЕЭК ООН [14]. Согласно правилам, цикл состоит из двух частей — городской и магистральной. Так как исследования и расчёты будут проводиться для городского электрического транспортного средства, то целесообразно использовать только первую часть цикла (рис. 5). Общая продолжительность городского цикла составляет 195 с.

 

Рис. 5. Расчётный городской цикл движения согласно Правилам ЕЭК ООН № 83.

Fig. 5. Estimated urban driving cycle as provided by UNECE Regulation No. 83.

 

Проведём анализ городского цикла. Расстояние между остановками невелико (порядка 300…500 м), т. к. в городе имеется большое количество помех движению, таких как светофоры, пешеходные переходы, искусственные неровности и т. п. В связи с этим электромобилю требуется сравнительно небольшое количество энергии для преодоления расстояния от остановки до остановки. Однако частые ускорения предполагают высокие затраты по мощности. На преодоление инерции транспортного средства требуется до 80% мощности накопителя [1]. Следовательно, накопитель энергии должен обладать высокой удельной мощностью, чтобы иметь приемлемые массогабаритные параметры.

Как известно, ёмкостные накопители энергии (ЕНЭ) обладают высокой удельной мощностью, но относительно низкой удельной энергией, а химические накопители энергии имеют ровно противоположные свойства [1]. Кроме того, конденсаторы с двойным электрическим слоем отличаются простотой конструкции, удобством в использовании, безопасностью, экологичностью, а самое главное, способностью быстро накапливать и отдавать запасённую энергию. ЕНЭ работоспособны при низких отрицательных температурах и способны выдерживать глубокие разряды, перезаряды и короткие замыкания. Срок службы, в частности, молекулярных накопителей (МНЭ) обеспечивает более 500 000 циклов заряда-разряда, что на три порядка больше, чем у аккумуляторов [15–18].

На рис. 6 представлена система тягового электрооборудования электромобиля с ёмкостно-индуктивным электроснабжением, созданная в лаборатории «Грузовые автомобили» кафедры «Наземные транспортные средства» Московского Политеха.

 

Рис. 6. Система тягового электрооборудования ходового макета: 1 — вторичная обмотка; 2 — конденсаторная батарея; 3 — реостат; 4 — выпрямитель; 5 — тяговый электродвигатель; 6 — главная передача.

Fig. 6. The traction electric system of a prototype: 1: secondary coil; 2: capacitor; 3: rheostat; 4: rectifier; 5: traction motor; 6: axle drive.

 

Под опорной поверхностью находится первичная обмотка воздушного трансформатора, к которой приложено переменное напряжение сети. В результате протекания первичного тока возникает переменное магнитное поле, пронизывающее витки вторичной обмотки, которая может быть размещена как внутри шин, так и в нижней части электромобиля. Во вторичной обмотке возникает ЭДС самоиндукции, которая приложена ко входу выпрямителя. В случае размещения вторичной обмотки внутри шин для подведения ЭДС используются щётки и контактные кольца. Для преобразования переменного тока в постоянный и регулирования напряжения заряда конденсаторной батареи предусмотрен однофазный двухполупериодный выпрямитель. При разгоне или равномерном движении электромобиля напряжение конденсаторной батареи приложено к обмотке якоря и обмотке возбуждения тягового электродвигателя. Крутящий момент двигателя постоянного тока передаётся к ведущему колесу с помощью главной передачи. При рекуперативном торможении крутящий момент от ведущего колеса с помощью указанных выше механизмов подводится к машине постоянного тока, которая переводится в генераторный режим.

На рис. 7 представлен алгоритм работы системы тягового электрооборудования (СТЭО) в городском цикле движения.

 

Рис. 7. Алгоритм работы СТЭО в городском цикле движения: КБ — использование энергии конденсаторной батареи для движения; РТ — рекуперативное торможение.

Fig. 7. Operational algorithm of the traction voltage system in the urban driving cycle: КБ: the capacitor is used for driving; PT: regenerative braking.

 

Заключение

Таким образом, в результате исследования разработана схема системы тягового электрооборудования электромобиля с ёмкостно-индуктивном электроснабжением, а также определён алгоритм её работы в городском цикле движения согласно Правилам № 83 ЕЭК ООН. Данная работа будет продолжена в виде реализации математической модели разработанной системы. Внедрение СТЭО с индуктивной передачей энергии и её ёмкостным накоплением позволит повысить энергоэффективность электромобильного транспорта.

Дополнительная информация

Вклад авторов. Е.М. Климов — написание текста рукописи; А.М. Фиронов — экспертная оценка, поиск публикаций по теме статьи; Р.А. Малеев — утверждение финальной версии; С.М. Зуев — создание изображений. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Этическая экспертиза. Неприменимо.

Источники финансирования. Отсутствуют.

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные).

Доступ к данным. Редакционная политика в отношении совместного использования данных к настоящей работе не применима, новые данные не собирали и не создавали.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали два внешних рецензента, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

Об авторах

Егор Михайлович Климов

Московский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: klimov.mami@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0004-9739-0267
SPIN-код: 2759-7425

преподаватель кафедры «Электрооборудование и промышленная электроника»

Россия, Москва

Анатолий Михайлович Фиронов

Московский политехнический университет

Email: a.m.fironov@mospolytech.ru
ORCID iD: 0000-0003-2683-9958
SPIN-код: 8824-5702

канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Наземные транспортные средства»

Россия, Москва

Руслан Алексеевич Малеев

Московский политехнический университет

Email: 19rusmal@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3430-6406
SPIN-код: 7801-3294

канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры «Электрооборудование и промышленная электроника»

Россия, Москва

Сергей Михайлович Зуев

МИРЭА — Российский технологический университет; Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт «НАМИ»

Email: sergei_zuev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7033-1882
SPIN-код: 6602-6618

канд. физ.-мат. наук, доцент, начальник управления подготовки кадров высшей квалификации и ДПО, доцент кафедры Оптико-электронных приборов и систем

Россия, Москва; Москва

Список литературы

Дополнительные файлы