Разработка системы управления движением гибридного автомобиля

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 681.51

Аннотация

В проекте представлена разработка системы управления режимами движения гибридного автомобиля на базе последовательно-параллельной схеме. Разработана и смоделирована в программной среде MATLAB SIMULINK. Выбраны устройства питания, элементы и датчики системы. Разработаны структурная и электрическая принципиальная схемы, алгоритм режимов движения. Рассмотрены режимы движения гибридной установки. В экономической части определяется обоснование выбора аналога, сравнивается стоимость оценки аналога, расчеты цены разработки, расчет технико-экономических показателей разработки. Рассматриваются вопросы по безопасности жизнедеятельности.



The summary

The project presents the development of the system mode control the hybrid vehicle based on the series-parallel circuit. Designed and modeled in the software environment MATLAB SIMULINK. Selected power devices, sensors and system elements. The structural and electrical schematics, algorithm modes of movement. Considered regimes of hybrid installation. In an economic part the cost a wage fund of personnel, price system and also calculation point capital by method CVP-analyze are performed. Questions on safety of ability to live are considered.



Содержание

Введение

1. Обзор по теме и определение структурной схемы

1.1 Обзор существующих аналогов гибридных схем

1.2 Выбор датчиков

1.3 Двигатель внутреннего сгорания

1.4 Мотор-генератор

1.5 Выбор преобразователя напряжения

1.6 Высоковольтная батарея

1.7 Устройство распределения мощности

1.8 Линейный график работы планетарной передачи

1.9 Система управления гибридной установкой

2. Разработка системы управления движением гибридного автомобиля

2.1 Принципиальная схема

2.2 Режимы движения гибридного автомобиля

2.3 Алгоритм режимов движения

3. Моделирование гибридной установки в SIMULINK

4. Технико-экономическое обоснование проекта

4.1 Анализ соотношения затрат и прибыли

4.2 Расчет затрат на этапе проектирования

4.3 Расчет стоимости материалов и комплектующих системы

4.4 Расчет себестоимости и рыночной цены

4.5 Графический метод CVP-анализа

5. Безопасность и экологичность проекта

5.1 Системный анализ надёжности и безопасности системы

5.2 Разработка мероприятий по повышению надежности и безопасности.

5.3 Пожарная безопасность при производстве и монтаже устройства

5.4 Защита окружающей среды

Заключение

Список литературы



Введение

Дипломный проект на тему “Разработка системы управления движения гибридным автомобилем” по специальности 140607 электрооборудование автомобилей и тракторов выполнена на кафедре электротехники и мехатроники в соответствии с приказом ректора ЮФУ № 4290 от 08.05.2014г.

Ухудшение экологической обстановки, обусловленное вредным воздействием автотранспорта, в городах носит катастрофический характер, в первую очередь в связи с загрязнением воздушного бассейна выбросами вредных веществ автомобильных двигателей, поэтому приоритетной задачей проектирования городских автомобилей является снижение количества выбросов вредных веществ и улучшение топливно-экономических показателей проектируемых автомобилей.

Гибридный автомобиль -- высокоэкономичный автомобиль, движимый системой «электродвигатель -- двигатель внутреннего сгорания» (далее двигатель), питаемой как горючим, так и зарядом электрического аккумулятора. Главное преимущество гибридного автомобиля -- снижение расхода топлива и вредных выхлопов. Это достигается полным автоматическим управлением режима работы системы двигателей с помощью бортового компьютера, начиная от своевременного отключения двигателя во время остановки в транспортном потоке, с возможностью продолжения движения без его запуска, исключительно на энергии аккумуляторной батареи, и заканчивая более сложным механизмом рекуперации -- использования электродвигателя как генератора электрического тока для пополнения заряда аккумуляторов.

В свете изложенной проблемы следует вывод, что тема дипломного проекта “Разработка системы управления движения гибридного автомобиля” актуальна для настоящего времени.

Объектом исследований является электрооборудование автомобиля.

Предмет исследований - система управления движения гибридным автомобилем.

Целью дипломного проекта является разработка такой системы управления движения гибридным автомобилем, которая обеспечит наилучшее распределение энергии в гибридной силовой установке, при наименьших затратах и обеспечением безопасности и экологии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-привести обзор современных датчиков;

-привести обзор существующих гибридных схем;

-разработать общий алгоритм работы системы;

-разработать схему электрическую принципиальную устройства и элементов питания;

-разработать алгоритм режимов движения;

-рассчитать себестоимость системы ее рыночную цену;

-выбрать метод для определения безубыточности реализации системы, в которой наступает окупаемость издержек и есть прибыль;

-провести системный анализ надежности и безопасности;

-разработать мероприятия по безопасности, дерево причин отказов;

-определить опасные факторы для окружающей среды и мероприятия по защите.

Практическая ценность работа состоит в том, что представленная система может более рационально распределять как электрическую, так и механическую энергию.

Методическим обеспечением дипломной работы является научно техническая, периодическая литература, справочники, нормативные документы - ГОСТ, ПУЭ, интернет.



1. Обзор по теме и определение структурной схемы

1.1 Обзор существующих аналогов гибридных схем

Известны три варианта гибридных силовых установок:

Последовательная схема.

Рисунок 1.1 - Схема гибридной установки последовательного типа

ДВС работает только на генератор, при этом выбирается режим минимального расхода топлива. Энергия, вырабатываемая генератором, подается либо на тяговый электродвигатель, либо в накопитель энергии и на тяговый электродвигатель, либо только в накопитель энергии. Тяговый электродвигатель обеспечивает весь необходимый силовой и скоростной диапазоны транспортного средства и при его замедлении работает в режиме генератора, обеспечивая рекуперацию энергии торможения.

Достоинствами последовательной схемы являются: возможность работы первичного двигателя (ДВС) в постоянном режиме минимального расхода топлива, простота управления силовой установкой, отсутствие специальных узлов трансмиссии. К недостаткам следует отнести слишком малый КПД системы превращения энергии от двигателя внутреннего сгорания до приводных колес. Такая схема применяется на Toyota Coaster Hybrid и различных автобусах, оснащенных гибридными силовыми установками.

Параллельная схема.

Рисунок 1.2 - Схема гибридной установки параллельного типа

ДВС и тяговый электродвигатель (ТЭД), питаемый от аккумуляторной батареи (АБ) через трансмиссию, связаны с ведущими колесами. Преимуществом параллельной схемы является более высокий КПД передачи энергии от первичного двигателя к ведущим колесам, в сравнении с последовательной схемой, и возможность применения одной электромашины вместо двух.

Недостаток - обязательное усложнение трансмиссии для обеспечения отбора (подвода) мощности электрической машины, отход первичного двигателя от режима минимального расхода топлива при регулировании скорости движения транспортной машины и определенное усложнение системы управления трансмиссией.

Возможен вариант и параллельной схемы, при которой обратимая электромашина устанавливается в приводе другого ведущего моста, чем ведущий мост трансмиссии первичного ДВС. Например, при переднеприводной схеме трансмиссии первичного двигателя обратимый электрический мотор устанавливается в приводе заднего моста. Достоинством такого варианта следует считать определенное упрощение трансмиссии первичного двигателя, недостатком - использование колесного движителя в качестве элемента системы превращения энергии. Эта схема применяется на Honda Civic Hybrid.

Рисунок 1.3 - Увеличение крутящего момента при совместной работе ДВС и электродвигателя в параллельной схеме

На рисунке 3 1 - кривая суммарного момента; 2 - кривая момента ДВС; M_? - суммарная величина момента ДВС (М_ДВС) и момента электродвигателя (M_Э).



В обычных условиях частичных нагрузок вполне достаточно ДВС уменьшенного объема, а в случае необходимости большей мощности (чаще дополнительного крутящего момента) на помощь ДВС приходит электрический двигатель. Особенно важно отметить, что технические характеристики двигателя внутреннего сгорания и электрического двигателя сильно отличаются. Двигатель внутреннего сгорания имеет максимальный крутящий момент только при достаточно высоких оборотах, а электрический двигатель развивает максимальный крутящий момент на самых низких оборотах вращения. Совместная работа ДВС и электродвигателя обеспечивает необходимые динамические качества автомобиля, даже при применении ДВС меньшей мощности.

Последовательно-параллельная схема.

Рисунок 1.4 - схема последовательно-параллельной гибридной установки

Эта система сочетает в себе последовательную гибридную систему с параллельной для получения максимальных преимуществ от обеих систем. Она имеет два двигателя, и в зависимости от условий движения использует только электромотор или приводится в движение совместно с ДВС для достижения высокого уровня эффективности. В дальнейшем, когда это необходимо, система приводит в движение колёса, одновременно вырабатывая электричество, задействовав генератор. Такая система используется на Toyota Prius, Estima Hybrid и Lexus RX400h. В последовательно-параллельном гибриде (Toyota Hybrid System), планетарный делитель мощности разделяет силовой поток, идущий от двигателя так, что соотношение мощности, поступающей непосредственно на колёса, и идущей на генератор может плавно изменяться. Поскольку электродвигатель может работать на вырабатываемой электроэнергии, то он используется больше, чем при параллельной схеме.

Система HSD устанавливается на хэтчбеке Toyota Prius, седане бизнес -класса Camry, всех дорожниках Lexus RX400h, Toyota Highlander Hybrid, Harrier Hybrid, спортивном седане Lexus GS 450h и автомобиле люкс-класса -- Lexus LS 600h. Ноу-хау компании Тойота куплено компаниями Форд и Ниссан и использовано при создании Ford Escape Hybrid и Nissan Altima Hybrid. Toyota Prius лидирует по продажам среди всех гибридов. Расход бензина в городе составляет 4 л на 100 км пробега. Это первый автомобиль, у которого потребление топлива при движении в городе меньше, чем на шоссе. На Парижском автосалоне 2008 была представлена модель Приус plug-in hybrid.

Из всего сказанного можно сделать вывод, что, наверное, нет смысла считать гибридные автомобили решением всех проблем. Это скорее промежуточный этап на пути к будущей машине с нулевым выбросом вредных веществ. Гибридные технологии дают возможность отработать ее ключевые технические компоненты -- емкие компактные аккумуляторы, оптимизированные системы «повторного использования» энергии, технологию быстрой зарядки от внешних источников, новые электродвигатели, облегченные кузова. Только массовое производство этих узлов сможет приблизить то время, когда вместо поездки на заправку достаточно будет подключить железного коня на часок к обычной домашней электросети -- а потом ездить целый день без подзарядки.

1.2 Выбор датчиков

Высокоточный датчик тока.

Проблемы окружающей среды, такие как глобальное потепление, загрязнение воздуха и проч., находятся под пристальным вниманием ученых. Разработаны гибридные автомобили, позволяющие снизить нагрузку на экологию благодаря уменьшенному выбросу отработанных газов и потребляющие меньше топлива. По мере снижения стоимости производства гибридных автомобилей спрос на них неуклонно растет. Помимо этого осуществляются попытки популяризировать электромобили и автомобили на топливных элементах, которые имеют нулевые выбросы вредных веществ в атмосферу.

Требования к автомобильным датчикам тока.

Для гибридов, электромобилей и авто на топливных элементах, вносящих ощутимый вклад в борьбу за чистоту окружающей среды, а также для двигателей со встроенным источником питания необходима такая функция, как способность системы отслеживать и точно контролировать ток электромотора в режиме движения и токи заряда/разряда аккумуляторной батареи. Количество датчиков как ключевых компонентов, служащих «глазами» системы мониторинга, на борту таких автомобилей значительно выросло. В таблице 1.1 представлено сравнение самых распространенных на рынке датчиков тока. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки в точности, изоляционных свойствах, типе измеряемого тока, количестве компонентов, потреблении тока и стоимости. Выбор типа датчика обусловлен конкретным применением и специфическими требованиями.



Таблица 1.1 - Основные типы датчиков тока

Метод измерения	Метод резисторного шунта	Метод токового трансформатора	Магнито-пропорциональный метод	Метод магнитного баланса
Чувствительный элемент	Резисторный шунт	-	Датчик Холла	Датчик холла
Точность	Низкая	Очень низкая	Высокая	Очень высокая
Изоляция	Очень низкая	Высокая	Высокая	Высокая
Измеряемый ток	AC/DC	AC	AC/DC	AC/DC
Количество компонентов	Большое	Среднее	Среднее	Низкое
Потребление тока	Среднее	Низкое	Низкое	Среднее
Стоимость	Низкая	Низкая	Средняя	Высокая

гибридный автомобиль передача движение

Требования, предъявляемые к автомобильным датчикам.

Аккумуляторные батареи автомобиля обеспечивают питание постоянным током, но в транспортных средствах также используется и переменный ток. Поэтому есть необходимость измерять оба типа тока и, следовательно, токовый трансформатор, который не может измерять постоянный ток, не пригоден для использования.

Высокая точность.

Контроль токов инвертора и ЭД гибридного автомобиля, особенно токов заряда/разряда аккумулятора, производится методом расчета на основании данных от нескольких датчиков. Погрешности измерений всех датчиков суммируются, а это значит, что в данном применении к точности показаний предъявляются высокие требования. Более того, датчик тока должен обладать высокой точностью измерения в широком температурном диапазоне. Это требование делает непригодными в данных условиях токовый трансформатор и резисторный шунт.

Высокие изоляционные свойства.

В большинстве случаев на автомобилях используются высоковольтные аккумуляторные батареи (АБ) напряжением в несколько сотен вольт. Это означает, что есть необходимость полностью изолировать АБ от низковольтных электрических цепей и блоков управления, а значит, датчик тока, который разделяет высоко- и низковольтную часть, должен быть бесконтактным и низкоиндуктивным. Неизолированный резисторный шунт в таких случаях можно использовать, только если его дополнить трансформатором или оптопарой, а это приведет к ненужному усложнению схемы.

Высокая надежность.

Автомобильные стандарты устанавливают жесткие требования к оборудованию в условиях воздействия электростатического электричества, импульсных помех, резких перепадов температуры, вибрации и ударных нагрузок. Японская компания TDK разработала датчик тока SAA-200, первый в одноименной серии. Он был установлен на многие автомобили и получил высокую оценку за свою стабильную работу в составе системы.

Особенность датчика SAA-200.

Для достижения необходимой точности наиболее подходящими являются магнитопропорциональный метод и метод магнитного баланса. Компания TDK в своих датчиках использовала метод магнитного баланса, так как он позволяет достичь максимальной точности.

Принцип работы данного метода заключается в следующем. В воздушный зазор сердечника из магнитомягкого материала с высокой проницаемостью помещается датчик Холла. Магнитный поток В1, пронизывающий датчик Холла, увеличивается или уменьшается пропорционально измеряемому току (кабеля, токовой шины и т. д.), проходящему сквозь сердечник. Сигнал от датчика Холла подается на операционный усилитель, выход которого соединен с катушкой обратной связи, по которой течет ток обратной связи, вызывающий встречный магнитный поток В2. Обмотка обратной связи сделана так, чтобы магнитный поток В2 был равен В1.

Пример.



I1ЧN1 = I2ЧN2.

Если I1 = 200 A, N1 = 1 виток, N2 = 4000 витков, то имеем: 200Ч1 = I2Ч4000 = 200 A. Отсюда получаем I2 = 0,05 A.

Это означает, что через измерительный резистор протекает ток 0,05 A. Таким образом, измеряемый ток I1 определяется путем измерения напряжения на резисторе. Этот общепринятый метод обеспечивает отличную стабильность и точность.

Линейность выходной характеристики.

При использовании магнито - пропорционального метода магнитный поток в сердечнике возрастает пропорционально увеличению измеряемого тока, и предел измерения тока определяется уровнем, при котором происходит насыщение сердечника

Рисунок 1.7 - Пример выходной характеристики

В отличие от этого при использовании метода магнитного баланса магнитный поток внутри сердечника равен нулю - благодаря уравнивающему магнитному потоку, вызванному действием катушки обратной связи, как описано выше.



Таблица 1.2 Сравнение датчиков текущего и нового поколения

Параметры	Текущее поколение датчиков	Новое поколение датчиков тока
Метод	Магнитный баланс	Магнитный баланс
Напряжение ИП	± 12В	+ 5В
Выходной параметр	Выходной ток	Выходное напряжение
Примеры	+ 200А +50мА	+ 200А +4.5В
	0А 0мА	0А +2.5В
	-200А -50мА	-200А +0.5В

Магнитное насыщение отсутствует даже при измерении больших токов, и линейность выходной характеристики всегда очень хорошая и не зависит от линейности характеристики датчика Холла.

Температурная стабильность.

Коэффициент усиления датчика Холла в сильном магнитном поле зависит от окружающей температуры, поэтому и точность измерения тока также зависит от температуры. Однако на датчик тока, сделанный по методу магнитного баланса, влияет только температурный сдвиг, а в целом температурная характеристика близка к идеальной и обеспечивает высокую точность измерения в широком температурном диапазоне.

Дальнейшее развитие.

Напряжение источников питания в 5 В становится общепринятым для последнего поколения электронных блоков управления. Кроме того, дабы соответствовать требованиям рынка, вместо источников тока все чаще используют источники напряжения -- из-за простоты их использования. В то же время диапазон измерения тока планируется расширить с ±200 до ±300 A. Особенности датчиков SAA-200.

- выходная характеристика с отличной помехоустойчивостью;

- высокая точность измерений, не зависящая от величины измеряемого тока и окружающей температуры;

- бесконтактный метод, обеспечивающий полную изоляцию от токоведущих шин (электрических проводов).

Будучи установленным на транспортные средства, датчик успешно прошел тесты на надежность.

1.3 Двигатель внутреннего сгорания

За основу был взят двигатель 1NZ-FXE.

Двигатель 1NZ-FXE был произведен самым первым во всей серии. Его производство было начато в Японии. Диаметр цилиндра составляет 75 мм, а ход поршня 84,7 мм. На него устанавливались кованные шатуны и алюминиевый впускной коллектор. Степень сжатия очень высока и составляет 13:1. Вместе с высокой степенью сжатия впускные клапана закрываются с запаздыванием, чем симулируется цикл Аткинсона, а не обычный цикл Отто. Что в свою очередь положительно сказывается на эффективности двигателя.

Из-за того, что впускной клапан закрывается с опозданием во впускной коллектор возвращается часть смеси из цилиндра, это отрицательно сказывается на мощности, но положительно на эффективности и экологичности. Такая комбинация 1NZ-FXE отлично подходит для использования на так называемых "гибридных" автомобилях HSD (Hybrid Synergy Drive), на которых пик крутящего момента и мощности имеют меньшее значение. Мощность сего агрегата составляет 76 л.с. при 5000 оборотах в минуту и 115 Н · м при 4000 оборотах в минуту.

Таблица 1.3 - Технические характеристики 1NZ-FXE

Количество цилиндров	4
Расположение цилиндров	Рядное
Клапаны	VVT-i, DOHC 16V
Объем двигателя, л(куб. см)	1,5 л(1497)
Мощность, л.с.(Н · м)	76(115)
Система впрыска	EFI, Распределенная
Система зажигания	DIS-4

Двигатель работает по циклу Аткинсона.

В первом небольшом двигателе такого типа, запущенном в коммерческое производство, революционная технология EXlink от компании будет характеризоваться более длинным тактом расширения по сравнению с тактом сжатия, чтобы степень расширения была больше степени сжатия.

По сравнению со стандартным двигателем Отто, в котором длины хода поршней имеют практически одинаковое значение, EXlink характеризуется тем, что ход расширения и выпуска оказывается больше, чем ход впуска и сжатия. В результате степень расширения более чем в 1,4 раза превышает степень сжатия EXlink, обеспечивая меньшие насосные потери и значительно более высокий термический КПД по сравнению со стандартным двигателем.

В XIX столетии двигатель Аткинсона отличался исключительной экономией топлива, однако из-за своей сложной архитектуры он был непрост в изготовлении в небольшом масштабе и поэтому исчез из рядов разрабатываемых двигателей.

Говоря о моторе Аткинсона имеют ввиду «цикл Аткинсона» -- модифицированный цикл Отто четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, предложенный английским инженером Джеймсом Аткинсоном в 1886 году. Аткинсон изменил соотношение времен тактов цикла Николауса Отто.

В двигателе Аткинсона рабочий ход (3-й такт цикла Отто) был увеличен за счет усложнения кривошипно-шатунного механизма, тогда, в XIX веке, двигатель распространения не получил из-за сложной механики. В нынешнем веке двигатель Аткинсона с компьютерным регулированием времен тактов применяется на автомобилях Toyota Prius, Lexus HS 250h, Lexus CT 200h, американском Ford Fusion, хотя примененный там принцип больше напоминает цикл Миллера.

Цикл Аткинсона позволяет получить лучшие экологические показатели и экономичность, но требует высоких оборотов. На малых оборотах мотор выдает сравнительно малый момент и может заглохнуть.

Бензиновый двигатель Toyota Prius работает по циклу Аткинсона со сжатием 13:1 на обычном бензине (АИ-95). Время закрытия впускного клапана, обороты и нагрузку на двигатель контролирует бортовой компьютер. На этой машине применение двигателя Аткинсона особенно выгодно, так как на малых оборотах он не нагружается.

Фактически на данном автомобиле применен не двигатель Аткинсона, а его упрощенный аналог, построенный по принципу цикла Миллера. Prius разгоняется электромотором, который выдает полный момент в широком диапазоне оборотов.

Эти двигатели данной модели обладают переменной степенью сжатия.

Этот параметр специалисты считают одним из главных в двигателе. Ведь чем выше степень сжатия, тем больше мощность, КПД мотора и лучше его экономичность. Поэтому, чем современнее становились ДВС, тем больше у них становилась степень сжатия. Но в последнее время такая тенденция практически прекратилась. Дело в том, что бесконечно увеличивать этот параметр тоже нельзя, иначе в цилиндрах будет происходить взрывное, неконтролируемое сгорания рабочей смеси. Иными словами - детонация, которая может привести даже к разрушению мотора.

Причем особенно чувствительны к увеличению степени сжатия моторы с наддувом. Ведь у них нагрузка на детали больше, они сильнее нагреваются и риск появления детонации соответственно выше. Так что степень сжатия приходится снижать. При этом соответственно падает и эффективность двигателя.

Таким образом, в идеальном случае степень сжатия должна плавно меняться в зависимости от режима работы и нагрузки на мотор. Об этом задумались еще в середине прошлого века. Появилось множество проектов весьма оригинальных конструкций, у которых, по сути, была одна общая черта - сложность, дороговизна и как следствие, непригодность к серийному производству.



1.4 Мотор-генератор

В качестве электрического мотора был выбран мотор-генератор с автомобиля Toyota Prius, данный выбор является удачным решением.

В трансмиссии автомобиля Prius используются две электрические машины, чаще называемые мотор-генераторами. По конструкции мотор-генераторы практически не отличаются друг от друга, но они отличаются по размерам. Оба мотор-генератора являются электрическими синхронными трёхфазными электромашинами переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Звучит немного запутанно, на самом деле всё значительно проще. Ротор мотор-генератора (вращающаяся деталь, соединённая с валом), по существу является постоянным магнитом и не имеет никаких обмоток или электрических соединений. А в статор (неподвижная часть мотор-генератора) встроено три комплекта обмоток. При движении тока в одном направлении через один комплект обмоток ротор перемещается в определённое положение. При направлении тока поочерёдно через все три комплекта обмоток сначала в одном направлении, а потом в противоположном, заставляет ротор перемещаться из одного положения в другое, совершая вращательное движение. Разумеется, это описание работы синхронного трёхфазного двигателя очень примитивно, но оно позволяет иметь некоторое представление о работе мотор-генератора.

Но мотор-генератор может работать не только в режиме электродвигателя, но и в режиме генератора. При вращении вала мотор-генератора от постороннего источника механической энергии в комплектах обмоток статора индуктируется электрический ток, который можно использовать, как для зарядки высоковольтной аккумуляторной батареи, так и для питания другого электрического двигателя.

Мотор-генератор 1 (MG1) соединён с солнечной шестернёй делителя мощности (планетарный механизм). Мотор-генератор (MG1) являющимся меньшим из двух имеет максимальную мощность 18 кВт. Мотор-генератор MG1 обычно применяется для запуска ДВС или для регулирования скорости вращения двигателя внутреннего сгорания за счёт изменения электрической нагрузки (количества вырабатываемой электрической энергии) на этот генератор. Мотор генератор 2 (MG2) соединён с корончатой шестернёй делителя мощности и, следовательно, имеет механическое соединение через одноступенчатый механический редуктор с ведущими колёсами автомобиля. Поэтому MG2 имеет возможность приводить в движение автомобиль. Максимальная мощность MG2 больше максимальной мощности MG1 и равна 50 кВт. Иногда MG2 называют тяговым электродвигателем, предназначение которого привод автомобиля или регенерация энергии при торможении автомобиля. Разумеется, в этом случае MG2 переключается в режим работы генератора. Оба мотор-генератора имеют жидкостное охлаждение.

1.5 Выбор преобразователя напряжения

Инвертор сложное электронное устройство, предназначенное для:

- преобразования постоянного тока высоковольтной батареи (HV battery) в трехфазный ток для работы мотор-генераторов MG 1 и MG 2 и обратно

- обратного преобразования энергии (рекуперация,- от лат. recuperatio - обратное получение, возвращение части материала или энергии, расходуемых при проведении того или иного технологического процесса, для повторного использования в том же процессе. Применительно к рассматриваемому вопросу преобразование механической энергии в электрическую. За это в блоке инвертора отвечает прибор называемый «конвертором»)

- регулирования и распределения энергии, получаемой от MG 1

- электронного управления мотор-генераторами MG 1 и MG 2 в зависимости от режимов работы двигателя внутреннего сгорания на основании согласованных действий с остальными электронными устройствами автомобиля.

Поскольку моторы/генераторы работают от переменного трехфазного тока, а батарея, как и все батареи, производит постоянный ток, необходимо некое устройство, чтобы преобразовать один вид тока в другой. Каждый MG имеет "инвертор", который выполняет эту функцию. Инвертор узнает положение ротора от датчика на валу MG и управляет током в обмотках мотора так, чтобы поддерживать вращение мотора на требуемой скорости и с необходимым вращающим моментом. Инвертор изменяет ток в обмотке, когда магнитный полюс ротора проходит мимо этой обмотки и переходит к следующей. Кроме того, инвертор подключает напряжение батареи на обмотки и затем выключает снова очень быстро (с высокой частотой), чтобы изменить среднее значение тока и, следовательно, крутящий момент.

Используя "самоиндуктивность" моторных обмоток (свойство электрических катушек, которые сопротивляются изменению тока), инвертор может фактически пропустить больший ток через обмотку, чем поступает от батареи. Он работает только когда напряжение на обмотках меньше напряжения батареи, следовательно, энергия сохраняется. Однако, поскольку значение тока через обмотку определяет крутящий момент, этот ток позволяет достигнуть очень большого крутящего момента на малых оборотах. Приблизительно до 11 км/ч, MG2 способен создать крутящий момент 350 Нм (400 Нм для Prius NHW-20) на редукторе. Именно поэтому автомобиль может начать движение с приемлемым ускорением без использования коробки передач, которая обычно увеличивает крутящий момент ДВС. При коротком замыкании или перегреве инвертор отключает высоковольтную часть машины. В одном блоке с инвертором расположен и конвертер, который предназначен для обратного преобразования переменного напряжения в постоянное - 13,8 вольт.

Система охлаждения инвертора.

Инвертор при работе сильно нагревается и, если бы не имел своего охлаждения, то после перегрева вышел бы из строя. В 10-м и 11-м кузовах Inverter имеет отдельные контура охлаждения и отдельный радиатор. В 20-м кузове радиатор инвертора совместили с радиатором двигателя.

Для локального охлаждения инвертор имеет «ребра» и «плиту» охлаждения.

Система охлаждения инвертора включает в себя:

- радиатор;

- водяную помпу (водяной электрический насос);

- расширительный бачок;

- соеденительные патрубки.

Работу каскада управления модулем IGBT приведу для модуля из трёх транзисторов. Заключается она в следующем. Сигнал управления ключами поступает на вход драйвера (1) (на плате это микросхемки ВМ122). Далее сигнал через усилитель мощности (2) поступает на входы управляющих затворов самих транзисторов. В схеме предусмотрено ограничение пиковых токов, проходящих через каждый транзистор. Данная функция возложена на схемы токовой защиты (3), которые предусмотрены для каждого транзистора индивидуально. Информация о токе с каждого транзистора поступает на вход соответствующей ему схеме токовой защиты, и в случае появления бросков тока схема должна «прикрывать» соответствующий ключ, т.е. она работает как регулятор. Правда, на картинке я указал выключатели. Кроме того, в случае возникновения подобной ситуации со средним транзистором, то тут происходит полное отключение всего модуля.

1.6 Высоковольтная батарея

Высоковольтная батарея в 20-м Приусе (Toyota Prius Gibrid) состоит из 28 модулей, в каждом из которых находится 7 элементов номинальным напряжением 1,2 В. Это позволило увеличить мощность с 320 В (в 10 кузове) до 500 В. Повышению напряжения способствовало также применение специального устройства booster. Увеличение номинального напряжения позволило увеличить мощность MG2 до 50 КВт.

Никель-металлогидридные аккумуляторы для Приуса производит компания Panasonic EV Energy (PEVE), на 60% принадлежащая Тойоте. Батареи типа NiMH стремительно уходят в прошлое, и идущее им на замену новое поколение литиево-ионных аккумуляторов Тойоты уже проходит испытания по всему миру. Скорее всего, автомобили с этими батареями станут дороже, но их можно будет заряжать от бытовой электросети.

Максимальный ток батареи - 80 А при разряде и 50 А при заряде. Номинальная емкость батареи - 6,5 Ач, однако, электроника автомобиля позволяет использовать только 40% этой емкости, чтобы продлить срок службы аккумулятора. Состояние заряда может изменяться только между 35% и 90% полного номинального заряда. Перемножив напряжение батареи и ее емкость, получим номинальный запас энергии - 6,4 МДж (мегаджоулей), а используемый запас - 2,56 МДж. Этой энергии достаточно, чтобы ускорить автомобиль, водителя и пассажира до 108 км/ч (без помощи ДВС) четыре раза. Чтобы произвести такое количество энергии, ДВС потребовалось бы приблизительно 230 миллилитров бензина. (Эти цифры приводятся только для того, чтобы Вы представляли количество накопленной энергии в батарее.)

Автомобилем нельзя управлять без топлива, даже если стартовать с 90% полного номинального заряда с длинного спуска. Большую часть времени у вас есть приблизительно 1 МДж пригодной к употреблению энергии батареи. Очень много ВВБ попадает в ремонт именно после того, как у владельца заканчивается бензин (при этом на табло загорится пиктограмма "Check Engine" ("Проверь двигатель") и треугольник с восклицательным знаком), но владелец пытается "дотянуть" до заправки. После падения напряжения на элементах ниже 3 В - они "умирают". На 20 кузове японские инженеры для увеличения мощности пошли другим путем: они снизили количество элементов до 168, т.е. оставили 28 модулей. Но для использования в инверторе напряжение батареи повышается до 500 В с помощью специального устройства - booster. Увеличение номинального напряжения MG2 в кузове NHW-20 позволило повысить его мощность до 50 КВт без изменения габаритов.

1.7 Устройство распределения мощности

А качестве трансмиссии был выбран Делитель мощности (Power Split Device (PSD). Основным компонентом трансмиссии автомобиля Prius является планетарный механизм, который Toyota использует как Делитель мощности "Power Split Device" (PSD).

Планетарный механизм, иногда называемый планетарным рядом, в автомобилестроении устройство очень распространённое. В любую автоматическую коробку передач встроено несколько планетарных механизмов.

В зависимости от требуемой нагрузки шестерни вращаются с определенной частотой и в определенном направлении.

Потери в данной коробке минимальны, как и ее габариты, что позволяет более рационально использовать мощность.

Этот механизм называется планетарным, поскольку имеет несколько расположенных по кругу (сателитных) шестерней, вращающихся вокруг центральной шестерни, называемой солнечной. Сателитные шестерни свободно вращаются на осях, закреплённых на водиле сателитных шестерней, которое также вращается вокруг общей оси планетарного механизма, вокруг которой вращается и солнечная шестерня. Но в отличии действительных планет, все сателитные шестерни имеют одинаковые размеры и расположены на одинаковом расстоянии от общей оси вращения всего механизма.

Вокруг сателитных шестерней расположена наружная кольцевая (коронная) шестерня, находящаяся в зацеплении, при помощи внутренних зубцов, со всеми сателитными шестернями и также вращающаяся, как и все детали планетарного механизма вокруг общей оси вращения.

Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания соединён с водилом планетарного механизма. Поскольку сателитные шестерни имеют зацепление как с солнечной шестернёй, со стороны центра механизма, так и с кольцевой шестернёй, с наружной стороны сателитных шестерней при вращении водила сателитные шестерни стараются повернуть и солнечную, и наружную кольцевую шестерни в сторону вращения водила.

Благодаря точному подбору размеров солнечной и наружной кольцевой шестерней (точнее количества их зубьев) 72% крутящего момента передаётся на наружную шестерню (к ведущим колёсам), а оставшиеся 28% крутящего момента передаётся на солнечную шестерню (к мотор-генератору MG1). Обратите внимание, не мощности, а крутящего момента.

1.8 Линейный график работы планетарной передачи

Графики зависимости работы ДВС, генератора и электрического мотора.

Автомобиль не заведен.

Рисунок 1.27 - график зависимости крутящего момента в незаведенном состоянии

Двигатель внутреннего сгорания, генератор и электромотор не работают.

Во время запуска.

Рисунок 1.28- график зависимости крутящего момента во время запуска

Автомобиль при старте движения использует только электрический мотор.

Во время разгона со старта.



Рисунок 1.29 - график зависимости крутящего момента во время разгона

Генератор, который так же обладает функцией стартера, вращает солнечную шестерню и запускает двигатель. Когда двигатель запустился, генератор начинает вырабатывать электричество, которое заряжает батарею и помогает электрическому мотору работать.

Во время нормального движения.

Рисунок 1.30 - график зависимости крутящего момента во время нормального движения



По большей части, двигатель внутреннего сгорания используется для движения. Производство энергии в данном режимы не нужно.

Во время разгона.

Рисунок 1.32 - график зависимости крутящего момента во время ускорения

Во время ускорения с нормальном режиме движения, обороты двигателя внутреннего сгорания увеличиваются, в тоже время генератор начинает вырабатывать электричество. Используется это электричество и электричество с высоковольтной батареи, двигатель внутреннего сгорания добавляет своей мощности для увеличения ускорения.

1.9 Система управления гибридной установкой

Система управления THS II поддерживает автомобиль на максимальной эффективности за счет управления энергии, используемой транспортным средством, в которую входит энергия используемая для движения, а также энергия, используемая для вспомогательных устройств, таких как кондиционера, нагреватели, фар и навигационная система. Система управления контролирует требования и рабочие состояния компонентов гибридной системы, таких как двигатель, который является источником энергии для всей гибридного автомобиля; генератор , который выступает в качестве стартера для двигателя и преобразует энергию механическую в электрическую; электрический двигатель, который приводит в движение транспортное средство с использованием электрической энергии от батареи; аккумулятор , который сохраняет электрическую энергию генерируется электроэнергию двигателем во время торможения.

Иными словами, система управления THS II отслеживает различные режимы потребления энергии транспортного средства в реальном времени и обеспечивает точный и быстрый контроль над транспортным средством, для того, чтобы транспортное средство эксплуатировалось безопасно и комфортно на самом высоком КПД.

Рисунок 1.33 - Блок схема системы управления



2. Разработка системы управления движением гибридного автомобиля

2.1 Принципиальная схема

Для данной гибридной установки была разработана и сделана в MS Office Visio принципиальная схема.

Рисунок 2.1 - принципиальная схема системы управления силовой гибридной установки

На рисунке показаны: HV ECU - блок управления; DC-DC конвертор; A/C инвертор; преобразующее устройство для электрических двигателей MG1/MG2; высоковольтная батарея.

2.2 Режимы движения гибридного автомобиля

Работа автомобиля в различных условиях движения.

Запуск двигателя.

Чтобы запустить двигатель, MG1 (связанный с солнечной шестерней) вращается вперед, используя электроэнергию высоковольтной батареи. Если автомобиль стоит, то коронная шестерня планетарного механизма будет также оставаться неподвижной. Вращение солнечной шестерни поэтому вынуждает водило сателлитов вращаться. Оно связано с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) и проворачивает его в 1/3,6 скорости вращения MG1. В отличие от обычного автомобиля, который подает топливо и зажигание в ДВС, как только стартер начинает его вращать, Prius ждет, пока MG1 не разгонит ДВС приблизительно до 1000 оборотов в минуту. Это случается меньше чем через секунду. MG1 значительно более мощный, чем обычный двигатель стартера. Чтобы вращать ДВС с этой скоростью, он сам должен вращаться со скоростью 3600 оборотов в минуту. Старт ДВС на 1000 оборотов в минуту не создает почти никакого напряжения для него, потому что это - скорость, на которой ДВС был бы счастлив работать от своей собственной энергии. Кроме того, Prius запускается, зажигая только пару цилиндров. Результат - очень гладкий запуск, свободный от шума и дергания, который устраняет изнашивание, связанное с запусками двигателя обычных автомобилей. При этом сразу обращу внимание на распространенную ошибку ремонтников и владельцев: часто мне звонят и спрашивают, что мешает ДВС продолжать работать, почему он заводится секунд на 40 и глохнет. На самом деле, пока мигает рамочка READY - ДВС НЕ РАБОТАЕТ! Это его крутит MG1! Хотя зрительно - полное ощущение запуска ДВС, т.е. ДВС шумит, из выхлопной трубы идет дым.

Как только ДВС начал работать от своей собственной энергии, компьютер управляет открытием дросселя, чтобы получить подходящие холостые обороты в течение разогрева. Электричество больше не питает MG1 и, фактически, если батарея разряжена, MG1 может производить электричество и заряжать батарею. Компьютер просто формирует MG1 как генератор вместо мотора, открывает дроссель ДВС немного больше, (примерно до 1200 оборотов) и получает электричество.

Холодный запуск.

Когда Вы запускаете Prius с холодным двигателем, его главный приоритет состоит в том, чтобы нагреть двигатель и каталитический нейтрализатор, чтобы заработала система управления токсичностью выхлопа. Двигатель будет работать в течение нескольких минут, пока это не случится (как долго - зависит от фактической температуры двигателя и катализатора). В это время принимаются специальные меры, чтобы управлять выхлопом во время прогрева, включая сохранение выхлопных углеводородов в поглотителе, который будет очищен позже и работой двигателя в специальном режиме.

Теплый запуск.

Когда Вы запускаете Prius с теплым двигателем, он будет работать в течение короткого времени и затем останавливаться. Холостые обороты будут в пределах 1000 об/мин.

К сожалению, невозможно препятствовать запуску ДВС, когда Вы включаете автомобиль, даже если все, что Вы хотите сделать - переехать на соседний подъемник. Это относится только к 10 и 11 кузовам. На 20 кузове применен другой алгоритм запуска: нажимаете на тормоз и на кнопку "START". Если в ВВБ достаточно энергии, и Вы не включите отопитель на обогрев салона или стекла - ДВС не запустится. Просто загорится надпись "READY"("Готов"), т.е. автомобиль ПОЛНОСТЬЮ готов к движению. Достаточно переключить джойстик (а выбор режимов на 20 кузове производится именно джойстиком) в положение D или R и отпустить тормоз, Вы поедете!

Трогание с места Prius находится всегда на прямой передаче. Это означает, что двигатель не может в одиночку выдать весь крутящий момент, чтобы автомобиль энергично тронулся с места. Крутящий момент для начального ускорения добавляется мотором MG2, вращающим непосредственно коронную шестерню планетарного механизма, связанную с входом редуктора, выход которого связан с колесами. Электрические двигатели развивают лучший крутящий момент на низкой скорости вращения, поэтому идеально подходят для начала движения автомобиля.

Представим, что ДВС работает и автомобиль неподвижен, значит, мотор MG1 вращается вперед. Управляющая электроника начинает отбирать энергию с генератора MG1 и передает ее на мотор MG2. Теперь, когда Вы отбираете энергию от генератора, эта энергия должна откуда-нибудь взяться. Появляется некоторая сила, которая замедляет вращение вала и нечто, вращающее вал, должно сопротивляться этой силе, чтобы сохранить скорость. Сопротивляясь этой "генераторной нагрузке", компьютер увеличивает обороты ДВС, чтобы добавить дополнительной энергии. Итак, ДВС крутит водило сателлитов планетарного механизма более сильно, а генератор MG1 пытается замедлить вращение солнечной шестерни. Результат - сила на коронной шестерне, которая заставляет ее вращаться и начинать двигаться автомобиль.

Вспомните, что в планетарном механизме крутящий момент ДВС делится в соотношении 72% к 28% между короной и солнцем. Пока мы не нажали педаль акселератора, ДВС только бездельничал и не производил никакого выходного крутящего момента. Теперь, однако, обороты добавились и 28% крутящего момента вращают MG1 как генератор. Другие 72% крутящего момента передаются механически на коронную шестерню и, следовательно, на колеса. Одновременно с тем, что большая часть крутящего момента поступает от мотора MG2, ДВС действительно передает крутящий момент к колесам таким образом.

Теперь мы должны выяснить, как 28% крутящего момента ДВС, который передается к генератору MG1, могут по возможности усилить старт автомобиля с помощью мотора MG2. Чтобы сделать это, мы должны ясно различать крутящий момент и энергию. Крутящий момент - это вращающая сила, и так же, как в случае с прямолинейной силой, не требуется расходовать энергию на поддержание силы. Предположим, что Вы тянете ведро воды с помощью лебедки. Она берет энергию. Если лебедка вращается электромотором, вы должны были бы снабдить его электроэнергией. Но, когда Вы подняли ведро наверх, Вы можете зацепить его каким-нибудь крюком или стержнем или чем-нибудь еще, чтобы удержать его наверху. Сила (вес ведра), которая приложена к веревке, и крутящий момент, передаваемый веревкой барабану лебедки, не исчезла. Но потому, что сила не перемещается, нет никакой передачи энергии, и ситуация устойчива без энергии. Аналогично, когда автомобиль неподвижен, даже при том, что 72% крутящего момента ДВС передают на колеса, нет никаких потоков энергии в этом направлении, так как коронная шестерня не вращается. Солнечная шестерня, однако, вращается быстро, и хотя она получает только 28% вращающего момента, это позволяет произвести много электроэнергии. Подобная цепь рассуждений показывает, что задача MG2 состоит в применении крутящего момента к входу механического редуктора, не требующего большой мощности. Много тока должно пройти через обмотки мотора, преодолевая электрическое сопротивление, и эта энергия теряется в виде тепла. Но, когда автомобиль перемещается медленно, эта энергия идет от MG1. Поскольку автомобиль начинает перемещаться и набирает скорость, генератор MG1 вращается медленнее и производит меньше энергии. Однако компьютер может немного прибавить обороты ДВС. Теперь больше крутящего момента прибывает от ДВС и, поскольку больше крутящего момента должно также пройти через солнечную шестерню, MG1 может поддержать генерирование энергии на высоком уровне. Уменьшенная скорость вращения компенсируется увеличением момента.

Мы избегали упоминания о батарее до этого места, чтобы стало ясно, как она не обязательна для приведения автомобиля в движение. Однако, большинство троганий с места - результат действий компьютера, передающего энергию от батареи непосредственно к мотору MG2.

Существуют предельные обороты ДВС, когда автомобиль движется медленно. Они обусловлены необходимостью предотвратить повреждение MG1, которому придется вращаться очень быстро. Это ограничивает количество энергии, производимой ДВС. Кроме того, это было бы неприятным для водителя услышать, что ДВС слишком увеличивает обороты для плавного трогания. Чем сильнее Вы нажимаете акселератор, тем больше ДВС увеличит обороты, но также и больше энергии поступит от батареи. Если утопить педаль в пол, приблизительно 40% энергии поступают от батареи и 60% от ДВС при скорости около 40 км/ч. Поскольку автомобиль ускоряется и одновременно обороты ДВС растут, он дает большую часть энергии, достигая приблизительно 75% при 96 км/ч, если Вы все еще давите педаль в пол. Как мы помним, энергия ДВС включает и то, что снято генератором MG1 и передано в виде электричества к мотору MG2. При 96 км/ч MG2 фактически дает больше крутящего момента, и, следовательно, больше мощности к колесам, чем поставляется через планетарный механизм от ДВС. Но большая часть электроэнергии, которую он использует, идет от MG1 и, следовательно, косвенно от ДВС, а не от батареи.

Ускорение и езда в гору.

Когда требуется большая мощность, ДВС и MG2 совместно создают крутящий момент, чтобы вести автомобиль почти таким же способом, как описано выше для начала движения. Когда скорость автомобиля растет, уменьшается крутящий момент, который MG2 в состоянии выдать, так как он начинает работать на пределе своей мощности в 33 кВт. Чем быстрее он вращается, тем меньше крутящий момент он может выдать на этой мощности. К счастью, это совместимо с ожиданиями водителя. Когда обычный автомобиль ускоряется, ступенчатая коробка переключается на более высокую передачу и вращающий момент на оси уменьшается так, чтобы двигатель мог понизить свои обороты до безопасного значения. Хотя это делается с использованием абсолютно разных механизмов, Prius дает такое же общее ощущение, как и ускорение на обычном автомобиле. Главное различие - полное отсутствие "дерганий" при переключении передач, потому что просто нет никакой коробки передач.

Итак, ДВС вращает водило сателлитов планетарного механизма. 72% его крутящего момента поступает механически через коронную шестерню к колесам. 28% его крутящего момента поступают в генератор MG1 через солнечную шестерню, где он превращается в электричество. Эта электрическая энергия питает мотор MG2, который добавляет некоторый дополнительный крутящий момент на коронной шестерне. Чем больше Вы нажимаете акселератор, тем больше крутящего момента производит ДВС. Он увеличивает как механический крутящий момент через корону, так и количество электроэнергии, произведенной генератором MG1 для мотора MG2, используемой, чтобы добавить еще больше крутящего момента. В зависимости от различных факторов - таких, как состояние заряда батареи, уклона дороги и особенно от того, как сильно Вы нажимаете педаль, компьютер может направлять дополнительную энергию от батареи к MG2, чтобы повысить его вклад. Вот так достигается ускорение, достаточное для движения по шоссе такого большого автомобиля с ДВС мощностью 78 л. с.

С другой стороны, если необходимая мощность не так высока, то часть электричества, производимого MG1, может использоваться для зарядки батареи даже при наборе скорости! Важно помнить, что ДВС и крутит колеса механически и крутит генератор MG1, заставляя его производить электричество. Что происходит с этим электричеством и добавляется ли еще электричество от батареи, зависит от комплекса причин, которые мы не можем все учесть. Этим занимается контроллер гибридной системы автомобиля.

Движение на умеренной скорости.

Как только Вы достигли устойчивой скорости на плоской дороге, мощность, которая должна поставляться двигателем, расходуется на преодоление аэродинамического сопротивления и трения качения. Это намного меньше, чем мощность, необходимая для езды в гору или разгона автомобиля. Чтобы работать эффективно на низкой мощности (и также не создавать много шума), ДВС работает с низкими оборотами.

Следующая таблица показывает, какая мощность нужна для перемещения автомобиля на различных скоростях на горизонтальной дороге и приблизительные обороты.

Таблица 2.1 Распределение мощности на различных скоростях

Скорость автомобиля, км/ч	Необходимая для движени мощность, кВт	Обороты ДВС, об/мин	Обороты генератора MG1, об/мин
64	3,6	1300	-1470
80	5,9	1500	-2300
96	9,2	2250	-3600

Высокая скорость автомобиля и низкие обороты ДВС ставят устройство распределения мощности в интересное положение: генератор MG1 должен теперь вращаться назад, как видно из таблицы. Вращаясь назад, он заставляет сателлиты вращаться вперед. Вращение сателлитов складывается с вращением водила (от ДВС) и заставляет коронную шестерню вращаться намного быстрее. Еще раз отмечу, что различие состоит в том, что в более раннем случае мы были рады с помощью высоких оборотов ДВС получить большую мощность, даже передвигаясь с меньшей скоростью. В новом случае мы хотим, чтобы ДВС остался на низких оборотах, даже если мы разогнались до приличной скорости, чтобы установить более низкое потребление мощности с высокой эффективностью.