Contribuţii privind studiul sistemelor hibride de acţionare
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 această lucrare se prezintă o serie de contribuţii privind realizarea unui echipament de cercetare a sistemelor hibride de acţionare, cu aplicaţii in domeniul automobilelor:
Abstract. In această lucrare se prezintă o serie de contribuţii privind realizarea unui echipament de cercetare a sistemelor hibride de acţionare, cu aplicaţii in domeniul automobilelor:
structura standului: complex, flexibil si economic
sistemul de alimentare cu energie electrica: hibrid
Primul sistem de divizare cu MP primeşte fluxurile de putere de la cele doua motoare de tracţiune : motorul termic MT si motorul electric ME si-l transmite prin sistemul de transmisie, Tr, câtre modelul de automobil format dintr-un volant, V, cu momentul de inerţie Jv si un generator GE2, pentru simularea rezistentelor la înaintare. Motorul MT este conectat la MP printr-un arbore secţionat, AS, si la un generator electric, GE1, printr-un cuplaj.
Structura astfel dezvoltata permite functionarea:
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.
varianta hibrid paralel – asupra modelului de automobil actioneaza atat motorul MT cat si motorul ME, GE2 functioneaza numai in anumite situatii.
Echilibrarea volantului
Volantul V si GE2 formeaza un ansamblu ideal pentru determinarea comportarii automobilului in regimurile statice si dinamice.
Ansamblu volant GE2
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.
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:
2. Solutia de alimentare cu energie electrica
2. Solutia de alimentare cu energie electrica
La conceperea SAEE s-a avut in vedere:
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.
Fiecare parte a SAEE a presupus o analiza.
A. Alegerea bateriilor
a) analiza comparativă a performanţelor şi a preţului de cost
bateriile acide – sunt răspândite, înregistrează o îmbunătăţire a caracteristicilor, au un preţ de cost scăzut, se pretează pentru autonomie redusă;
bateriile Li–ion sunt foarte scumpe, comparativ cu bateriile acide de cca. 20 de ori mai scumpe, având performanţe superioare ;
bateria Ni–MH este o alegere potrivită pentru situaţiile în care sunt cerute autonomie şi performanţe, având caracteristici apropiate de cele ale bateriilor Li–ion. Pot fi reîncărcate repede şi se pretează în situaţiile în care este permisă încărcarea frecventă – astfel unităţile de baterii pot fi reduse scăzând şi preţul de cost.
c) energia absorbită de la sursă în perioada accelerării:
ma – masa automobilului;
- coeficientul de influenţare a maselor inerţiale; (14)
va – viteza automobilului .
S-a făcut o apreciere a energiei recuperabile.
S-au considerat două cicluri:
I Ciclul European ECE /324 - Regulamentul 15 şi ciclul SAE J 227 a şi s-a determinat necesarul energetic We pe un ciclu complet in ipotezele:
1. ME ( = 3700W ) funcţionează numai la accelerări şi la v = 4,16 m/s ct
2. folosim numai ME în toată fazele ciclului.
Presupunând un număr de cicluri, Ncl , în care bateria este capabilă să livreze energia cerută vom putea avea o imagine a energiei totale, Wet
Wet = We ∙ Ncl (16)
Nu toată energia înmagazinată în bateria de acumulatoare poate fi livrată eficient. Unii iau in considerare că randamentul bateriei este maxim în domeniul 40 – 60% SDI. Aşadar, dacă energia ar fi Wet, energia înmagazinată va trebui să fie WB:
Nu toată energia înmagazinată în bateria de acumulatoare poate fi livrată eficient. Unii iau in considerare că randamentul bateriei este maxim în domeniul 40 – 60% SDI. Aşadar, dacă energia ar fi Wet, energia înmagazinată va trebui să fie WB:
(17)
Problema poate fi tratată şi în alte moduri, de exemplu considerând o capacitate mai mare livrabilă :
Wet ≤ 0,8 UmedC = WB (18)
Umed – tensiunea medie a bateriei între cele doua stări ale bateriei SDIH- SDIL;
Capacitatea C este dependenta de curentul de descărcare, energia bateriei poate fi scrisă cu relaţia: (19) d) determinarea masei şi volumului bateriei pornind de la putere: (20) e) determinarea masei şi energiei pornind de la energie: (21) pSBm – puterea specifică a bateriei[W/kg]; pSBv – densitatea de volum a puterii[W/dm3]; wSBm – energia specifică a bateriei cu referire la masă [Wh/kg]; wSBv – densitatea de energie [Wh/dm3];
Bateriile selectate au fost: baterii acide, 16 buc x 12V x 24 Ah.
Aparat de testare a capacitatii bateriilor
B. Alegerea ultracondensatorului
Ecuaţia de funcţionare a circuitului cu UC din figura este:
u – tensiunea;
i – curentul din circuit;
C – capacitatea UC;
Res – rezistenţa echivalentă serie;
t1, t2 – momente de timp care delimitează intervalul de descărcare al UC
Caracteristica tensiune-timp a unui UC, pentru un curent constant de descărcare
Mărimile reprezentate pe grafic au următoarea semnificaţie:
Ul - tensiunea de lucru;
uRes - căderea de tensiune datorata rezistenţei serie a UC;
uC - căderea de tensiune datorată descărcării UC;
Dacă se consideră constanta de timp a UC, ecuaţia (2) poate servi la dimensionarea UC.
Dacă se consideră constanta de timp a UC, ecuaţia (2) poate servi la dimensionarea UC.
(3)
a – constantă, 0, impusă de aplicaţie.
În [3] curentul este dat de:
(4)
(5)
cu :
Se determină în aceste condiţii din relaţia (6), , o valoare de 105,6F si se alege un UC de 110F, 48,6F produs de Maxwell.
Se determină în aceste condiţii din relaţia (6), , o valoare de 105,6F si se alege un UC de 110F, 48,6F produs de Maxwell.
C. Alegerea PC
C. Alegerea PC
desi nu sunt multi furnizori, alegerea 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.
Sistemul de alimentare cu energie electrica, SAEE, se dezvolta secvential si va fi, in final, un sistem hibrid complex
SAEE al standului- varianta finala
3. Solutia de control a standului
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.
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 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.
Schema va asigura functionarea in urmatoarele regimuri:
Schema va asigura functionarea in urmatoarele regimuri:
