Stanowisko laboratoryjne do badania układu napędowego samochodu elektrycznego

Transkrypt

1 JELEŃ Michał 1 JAREK Grzegorz 2 Stanowisko laboratoryjne do badania układu napędowego samochodu elektrycznego WSTĘP Samochody elektryczne, zasilane z baterii akumulatorów, zdobywają w ostatnich latach coraz większą popularność, jako alternatywa dla samochodów z silnikami spalinowymi. Dawniej stosowane były wyłącznie jako lokalny środek transportu na terenie dużych firm, obecnie powstaje coraz więcej rozwiązań pojazdów przystosowanych do ruchu miejskiego. Ciągłemu rozwojowi podlegają zarówno silniki elektryczne, przekształtniki, jak również zasobniki energii. Tematyka ta jest niezwykle istotna ze względu na wieloletni już trend związany z ochroną środowiska naturalnego. Badania układów napędowych samochodów elektrycznych niekoniecznie muszą wiązać się z użyciem rzeczywistego sprzętu (seryjnie produkowanego samochodu) często łatwiej i wygodniej jest użyć odpowiednio przygotowanego stanowiska laboratoryjnego. 1 STANOWISKO LABORATORYJNE Z SILNIKIEM BLDC Na wyposażeniu Laboratorium Energoelektronicznie Sterowanych Układów Napędowych Katedry KENER znajduje się samochód elektryczny Elipsa, produkowany przez Zakład Pojazdów Elektrycznych ELIPSA (ZNTK-Radom Sp. z o.o.) [5]. W układzie napędowym Elipsy wykorzystano dwa silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi (BLDC ang. Brushless Direct Current Motor) o mocy 2,2 kw każdy, zasilane z baterii akumulatorów za pośrednictwem komutatora elektronicznego. Pracownicy katedry są autorami oprogramowania sterownika mikroprocesorowego, sterującego napędem samochodu. Aby uprościć pracę nad rozwojem oprogramowania sterownika, zbudowane zostało stanowisko laboratoryjne wyposażone w analogiczny układ napędowy, w postaci silnika, enkodera absolutnego, komutatora elektronicznego oraz akumulatorów (rys. 1). 1.1 Opis stanowiska Laboratoryjny sterownik komutatora elektronicznego ma możliwość pracy w kilku trybach, m.in. z zadawaniem prądu (momentu), napięcia lub ze stabilizacją prędkości. Możliwe jest również zastosowanie metod wektorowych, znanych ze sterowania maszyn prądu przemiennego. Wynika to z budowy silnika, którego rozkład SEM nie jest idealnie trapezoidalny i dlatego maszyna ta może być również sterowana jak silnik PMSM (ang. Permanent Magnet Synchronous Motor). W stanowisku dostępne są również dwie inne maszyny, sprzężone mechanicznie z silnikiem BLDC silnik asynchroniczny klatkowy oraz silnik obcowzbudny prądu stałego (rys. 2). Oba silniki zasilane są z przekształtników energoelektronicznych, umożliwiających ich pracę w charakterze obciążenia badanego silnika BLDC. Przekształtniki wyposażone są w fabryczne układy sterowania, dodatkowo przekształtnik silnika klatkowego ma możliwość podłączenia zewnętrznego sterownika. Panel operatorski stanowiska składa się z wyświetlaczy LCD oraz zestawu przycisków i przełączników. Panel umożliwia kontrolę pracy wszystkich przekształtników, dostępnych w stanowisku. Wielkości analogowe, takie jak prędkość czy moment, zadawane są za pomocą potencjometrów. W stanowisko wbudowano też zestaw przyrządów pomiarowych, służących do kontroli stanu pracy układu. Do obserwacji i rejestracji przebiegów czasowych wybranych wielkości wykorzystywany jest oscyloskop. 1 Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny, Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki, Gliwice, ul. Krzywoustego 2, Tel , Fax: , michal.jelen@polsl.pl 2 Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny, Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki, Gliwice, ul. Krzywoustego 2, Tel , Fax: , grzegorz.jarek@polsl.pl 4924

2 Rys. 1. Samochód elektryczny Elipsa oraz stanowisko laboratoryjne z silnikiem BLDC Rys. 2. Schemat stanowiska 1.2 Przykładowe wyniki badań Na rysunkach 3a-3c przedstawiono przykładowe wyniki badań przebiegi prądów dwóch faz silnika BLDC podczas pracy w pętli otwartej i przy zmianach położenia czujników hallotronowych. Czujniki te montowane są standardowo w silnikach BLDC i służą do określania pozycji wału silnika. W stanowisku laboratoryjnym zamiast rzeczywistych czujników zrealizowano ich emulację na podstawie wskazań enkodera, dzięki czemu możliwe jest programowe przesunięcie ich sygnałów wyjściowych, co odpowiada sytuacji niedokładnego zamontowania hallotronów w silniku. Przebiegi zaobserwowane przy prawidłowym ustawieniu czujników zaprezentowano na rysunku 3a, natomiast przesunięcie hallotronów o 15 i -15 stopni elektrycznych prowadzi do uzyskania przebiegów jak na 4925

3 rysunkach 3b i 3c. Można zaobserwować charakterystyczne zniekształcenia prądów, wynikające ze zbyt wczesnej (c) lub zbyt późnej (b) komutacji. Na rysunku 3d pokazano te same przebiegi przy pracy w pętli regulacji prędkości, z podrzędnym regulatorem prądu i przy poprawnym ustawieniu hallotronów. a) b) c) d) Rys. 3. Przebiegi dwóch prądów fazowych silnika BLDC 2 HAMOWNIA Jak wspomniano wcześniej, możliwe jest wytworzenie momentu hamującego na wale badanego silnika BLDC za pomocą dwóch pozostałych maszyn, zasilanych z komercyjnych przekształtników energoelektronicznych. Rozszerzeniem możliwości stanowiska jest opracowany w ramach projektu inżynierskiego autorski układ sterowania falownika zasilającego silnik asynchroniczny. Do realizacji tego zadania wykorzystano kartę sterowniczo-pomiarową DS1104 firmy dspace, współpracującą z komputerem PC. Oprogramowanie sterownika zostało przygotowane w środowisku MATLAB- Simulink i bazuje na metodzie polowo-zorientowanej. Wielkością zadaną jest moment obciążenia. Wartość momentu zadawana jest ręcznie, istnieje też możliwość określenia cyklu pracy w postaci chwil czasowych i odpowiadających im wartości momentu. Sterownik komunikuje się z użytkownikiem za pomocą pulpitu operatorskiego (rys. 4), przygotowanego w programie ControlDesk. Narzędzie to pozwala na zmianę parametrów pracy sterownika przy użyciu klawiatury i myszki, stosując elementy takie jak suwaki, przyciski, pola tekstowe itp. Panel operatorski zapewnia też wizualizację pracy układu. Możliwy jest podgląd w czasie rzeczywistym parametrów charakterystycznych dla samochodu elektrycznego, takich jak prędkość liniowa pojazdu w km/h, pokonany dystans (uwzględniana jest średnica kół), obroty silnika czy stan naładowania akumulatorów. Oprócz tego wyświetlane są również parametry elektryczne, takie jak prąd czy moment elektromagnetyczny. Wizualizacja realizowana jest przy użyciu wskaźników znanych z pulpitu rzeczywistego samochodu oraz elementów prezentujących przebiegi czasowe mierzonych wielkości w formie graficznej. 4926

4 Rys. 4. Pulpit operatorski hamowni, przygotowany w programie ControlDesk 3 SYMULATOR AKUMULATORA Ważnym elementem układu napędowego samochodu elektrycznego jest zasobnik energii w postaci baterii akumulatorów. Podczas badań konieczne jest uwzględnienie właściwości baterii, np. zmienności napięcia wyjściowego czy też konieczności kontroli poziomu naładowania. W układach laboratoryjnych, zamiast stosować rzeczywisty akumulator, wygodniej jest użyć jego symulatora. Układ taki został zbudowany [4] i jest wykorzystywany jako kolejne rozszerzenie opisywanego stanowiska. 3.1 Obwody mocy W charakterze źródła napięciowego o regulowanej wartości zastosowano trójfazowy przekształtnik skompensowany AC/DC (prostownik tranzystorowy). Ze względu na fakt, że napięcie znamionowe symulowanej baterii akumulatorów wynosi 48 V, zdecydowano się na zastosowanie na wejściu przekształtnika transformatora obniżającego napięcie. Napięcie strony wtórnej transformatora zostało tak dobrane, aby możliwe było uzyskanie minimalnego napięcia wyjściowego przekształtnika o wartości około 43 V. Górna wartość napięcia przekształtnika wynika z klasy napięciowej zastosowanych tranzystorów MOSFET i wynosi 60 V. Użyte tranzystory pozwalają na pracę z częstotliwością przełączeń 20 khz, co poprawia komfort pracy z urządzeniem. Wysoka częstotliwość przełączeń tranzystorów pozwala też uniknąć konieczności stosowania dławików sieciowych do poprawnej współpracy z siecią zasilającą wystarcza indukcyjność rozproszenia transformatora. 4927

5 3x400V / 30V T 1 T 2 T 3 Tr T 4 T 5 T 6 C DC 43-60V u 1a u 1b i 2b i 2a T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 Układ sterowania dspace DS1104 Rys. 5. Schemat obwodów głównych symulatora akumulatora u DC ` Układ sterowania przekształtnika zrealizowany został przy użyciu karty sterowniczo-pomiarowej DS1104 i zawiera oprócz algorytmu sterowania przekształtnikiem model matematyczny akumulatora, bazujący na obwodach elektrycznych. 3.2 Model akumulatora Równania opisujące model akumulatora kwasowo-ołowiowego zależne są od jego stanu pracy [3]. Dla ładowania model opisuje zależność: Q * Q Vbatt E0 Ri K i K it Exp( t), (1) it 0,1 Q Q it gdzie: V batt napięcie akumulatora, E 0 stała napięciowa, K stała polaryzacji lub rezystancja polaryzacji, R rezystancja wewnętrzna, Q pojemność akumulatora, it stopień naładowania, i prąd, i * - prąd odfiltrowany. W przypadku rozładowywania model opisany jest zależnością: Q * Vbatt E0 Ri K ( it i ) Exp( t). (2) Q it We wzorach (1-2) funkcja Exp(t), opisana zależnością (3), oznacza eksponencjalną część charakterystyki. Przebieg czasowy funkcji Exp(t) zależy od stanu pracy akumulatora (ładowanie lub rozładowywanie) i może być przedstawiony w postaci: Exp( t) B i( t) ( Exp( t) Au( t)), (3) gdzie: A, B współczynniki funkcji eksponencjalnej, u(t) funkcja oznaczająca stan pracy (1 ładowanie, 0 rozładowywanie) W modelu opisanym równaniami (1)-(3) przyjęto szereg założeń upraszczających [3]: rezystancja wewnętrzna ma stałą wartość i nie zależy od stanu pracy oraz prądu akumulatora, parametry modelu, obliczone na podstawie charakterystyki rozładowania, przyjmują takie same wartości podczas ładowania, pojemność akumulatora nie zależy od prądu, nie uwzględnia się wpływu temperatury, samorozładowania akumulatora oraz efektu pamięciowego. Zaletą tego modelu jest łatwość określania parametrów, występujących w zależnościach go opisujących. Można je wyznaczyć na podstawie krzywej rozładowania, która jest dostępna w dostarczanej przez producenta nocie katalogowej danego akumulatora. Dokładność wyznaczenia parametrów, a zatem dokładność modelu, zależy od precyzji odczytania danych z charakterystyki rozładowania. 4928

6 3.3 Badania laboratoryjne modelu akumulatora Pulpit operatorski układu sterowania symulatora akumulatora zbudowano w programie ControlDesk. Przygotowano w nim możliwość zmiany parametrów akumulatora oraz rejestrowania wartości zgromadzonego ładunku i napięcia wyjściowego podczas procesu ładowania i rozładowania. W celu przyspieszenia prowadzenia badań możliwe było zwiększenie kroku całkowania w równaniach opisujących model akumulatora. Dzięki tej technice można w zdecydowanie krótszym czasie przebadać pracę baterii akumulatorów o stosunkowo dużej pojemności. Model akumulatora kwasowo-ołowiowego został oparty na równaniach (1)-(3), a jego parametry zaczerpnięto z [3]. Wielkością wejściową modelu jest prąd pobierany, wyjściem jest napięcie na zaciskach akumulatora u DC i jego procentowy stan naładowania SOC. Badania polegały na obciążeniu układu rezystorem R o o stałej wartości, przeprowadzono również próby ładowania wirtualnego akumulatora stałym prądem I DC. Efektem badań są przebiegi czasowe napięcia akumulatora i stanu naładowania dla różnych wartości rezystancji obciążenia i prądu ładowania, przestawione na rysunkach 6-7. Ponieważ w przypadku akumulatorów kwasowych początkowy etap o charakterze eksponenty trwa bardzo krótko, fragment ten pokazano w powiększeniu. Stosunkowo wysokie wartości napięcia uzyskiwane podczas ładowania akumulatora wynikają z prowadzenia tego procesu metodą stałego prądu, w celu sprawdzenia poprawności zastosowanego modelu. W praktyce ładowarki tylko w początkowym etapie wymuszają stały prąd, a następnie utrzymują stałą wartość napięcia, aby nie dopuścić do nadmiernego gazowania elektrolitu. Rys. 6. Przebiegi czasowe napięcia wyjściowego (a, b) i stanu naładowania (c) akumulatora podczas pracy przy obciążeniu rezystorem 4929

7 Rys. 7. Przebiegi czasowe napięcia wyjściowego (a, b) i stanu naładowania (c) podczas ładowania stałym prądem WNIOSKI Stanowisko laboratoryjne z silnikiem bezszczotkowym prądu stałego pozwala na wygodne prowadzenie badań układu napędowego samochodu elektrycznego w warunkach laboratoryjnych. Możliwość zadawania momentu obciążenia w łatwy, a jednocześnie precyzyjny sposób, jest niezbędna do weryfikacji eksperymentalnej rozwijanych algorytmów sterowania przekształtnikiem. Symulator akumulatora pozwala na uwzględnienie specyfiki źródła zasilania, bez konieczności posiadania fizycznego akumulatora. Możliwość zmiany kroku całkowania w modelu znacznie skraca czas potrzebny na przeprowadzenie badań. Streszczenie W artykule opisano budowę oraz działanie stanowiska laboratoryjnego do badania silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC), stosowanego w układzie napędowym samochodu elektrycznego. Stanowisko oprócz silnika wyposażone jest w przekształtnik (komutator elektroniczny), baterię akumulatorów oraz enkoder absolutny. Dodatkowo w stanowisku obecne są też dwie inne maszyny wraz z układami zasilania i sterowania, wykorzystywane w charakterze obciążenia badanego silnika. Pokazano schemat stanowiska oraz zaprezentowano przykładowe wyniki badań. Omówiono też rozszerzenia stanowiska w postaci hamowni oraz modelu akumulatora, których układy sterowania zostały zrealizowane przy użyciu karty sterowniczopomiarowej DS1104. Hamownia zapewnia łatwą i precyzyjną kontrolę momentu obciążenia silnika BLDC oraz obserwację i rejestrację wyników. Model baterii umożliwia symulowanie pracy z akumulatorami różnych typów, daje też dodatkowe możliwości, które pozwalają na skrócenie czasu badań. Laboratory set for testing electric vehicle drive system Abstract The article describes the construction and operation of laboratory set for testing brushless DC motor (BLDC) used in the drive system of electric car. Laboratory set is also equipped with inverter (electronic commutator), battery pack, and an absolute encoder. In addition, there are also two other machines present in the laboratory set, with their power supply and control systems, which are used as a load of the engine. Diagram showing the laboratory set and sample research results are presented in the paper. Also discussed the 4930

8 two extensions - dynamometer and the battery model, which control systems have been based on a DS1104 PC card. Dynamometer provides easy and precise control of motor torque and the observation and recording of results. Battery model provides simulation operation with batteries of different types, also allows to shorten the research time. BIBLIOGRAFIA 1. Bodora A., Biskup T., Domoracki A., Kołodziej H.: Mikroprocesorowo sterowany napęd małego pojazdu elektrycznego z silnikami bezszczotkowymi prądu stałego. Wiadomości Elektrotechniczne, 2007, nr 10/2007, s Mohr M.: Projekt układu sterowania hamownią do badania samochodu elektrycznego. Projekt inżynierski, Wydział Elektryczny, Politechnika Śląska, Gliwice Tremblay O., Dessaint L.: Experimental Validation of a Battery Dynamic Model for EV Applications. EVS24 Stavanger, Norway Michalak J., Jeleń M., Jarek G.: Skompensowany przekształtnik AC/DC symulujący pracę baterii akumulatorów, Prace Naukowe Politechniki Śląskiej (oddany do recenzji). 5. Strona internetowa samochodu Elipsa: