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 [12]. Это приводит к тому, что запас хода у электромобиля в несколько раз меньше, чем у аналогичной колёсной машины с ДВС. 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 таблицу 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

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 рисунке 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

            Управляемый инвертор, содержащий транзисторные ключи Q1…Q4, формирует входное напряжение u₁(t). Для компенсации реактивной мощности 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. Выходное напряжение u₂(t) преобразуется однофазным двухполупериодным выпрямителем для заряда тяговой аккумуляторной батареи.

            Наибольшая эффективность системы достигается при передаче энергии на резонансной частоте:

                                    (1)

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

  ,                                             (2)

            где:

α – расчётный коэффициент. Выбирается произвольно в диапазоне

Ёмкости сериесных конденсаторов определяются по выражению (3):

                                     (3)

Характеристика выходного напряжения инвертора описывается уравнением (4):

,                                   (4)

            где:

            D – скважность инвертора.

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

                                  (5)

Первичный и вторичный токи:

                                             (6)

Выходной ток инвертора:

                                           (7)

Входной ток выпрямителя:

                                         (8)

Таким образом, передаваемая мощность может быть вычислена согласно (9):

                                        (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.

 

Резонансная система электроснабжения с несколькими первичными обмотками

 

 

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

            На рисунке 1.2 представлена электрическая схема резонансной системы электроснабжения электромобиля с несколькими первичными обмотками [1]. 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 определяется согласно выражению (10):

                                (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, так как вектор магнитной индукции может быть направлен против основного потока. В этом случае инвертор, управляющий отрицательно связанной обмоткой, должен быть отключен.

 

Рис. 3 Кривые изменения КПД системы во времени

На рисунке 3 представлены кривые изменения КПД системы во времени [1]. Как видно из характеристики, эффективность устройства весьма высока и составляет порядка 92%.

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:

 

ε=w                                                  (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 рисунке 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.

 

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, определяется по формуле (12):

;                                         (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 [18-19]. Однако, удельная энергия химических накопителей 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 [12]. 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. Общая продолжительность городского цикла составляет 195 с.

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

Проведём анализ городского цикла. Расстояние между остановками невелико (порядка 300…500 м), так как 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 [20]. Следовательно, накопитель энергии должен обладать высокой удельной мощностью, чтобы иметь приемлемые  массогабаритные параметры.

            Как известно, ёмкостные накопители энергии обладают высокой удельной мощностью, но относительно низкой удельной энергией, а химические НЭ имеют ровно противоположные свойства [12]. 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 500000 циклов заряда-разряда, что на три порядка больше, чем у аккумуляторов [15-16].

            На рисунке 6 представлена схема системы тягового электрооборудования электромобиля с ёмкостно-индуктивном электроснабжением.

ТЭМ

 

Рис. 6 Схема системы тягового электрооборудования электромобиля: ТЭМ – тяговая электрическая машина.

            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 (согласно рисунку 6), 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 тиристорный выпрямитель. При разгоне или равномерном движении электромобиля напряжение конденсаторной батареи приложено ко входу трёхфазного инвертора, к которому подключена синхронная машина. Крутящий момент синхронной машины передаётся к ведущим колёсам с помощью главной передачи, дифференциала и валов привода. На рисунке 6 изображён вариант с использованием карданной передачи. При рекуперативном торможении крутящий момент от ведущих колёс с помощью указанных выше механизмов подводится к синхронной машине, которая переводится в генераторный режим. Для заряда конденсаторной батареи переменный ток синхронной машины преобразуется в постоянный трёхфазным двухполупериодным выпрямителем.

На рисунке 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

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.

Об авторах

Егор Михайлович Климов

Московский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: egormixalich71@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-9739-0267
SPIN-код: 2759-7425

Ассистент кафедры "Электрооборудование и промышленная электроника"

Россия, 107023, Москва, ул. Большая Семеновская, д. 38

Анатолий Михайлович Фиронов

Московский политехнический университет

Email: a.m.fironov@mospolytech.ru
ORCID iD: 0000-0003-2683-9958
SPIN-код: 8824-5702
Scopus Author ID: 462035

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

Россия, 107023, Москва, ул. Большая Семеновская, д. 38

Руслан Алексеевич Малеев

Московский политехнический университет

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

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

Россия, 107023, Москва, ул. Большая Семеновская, д. 38

Сергей Михайлович Зуев

Российский технологический университет МИРЭА

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

доцент, канд. физико-матем. наук, доцент кафедры Оптико-электронных приборов и систем

Россия, 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

Список литературы

Дополнительные файлы