Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 8 декабря
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика

Итоги Форума и премии «Живая электроника России - 2016»


Интервью, презентации

Ранее

Микросхемы управления электроприводом и силовыми преобразователями для электропривода

Прецизионный электропривод с вентильным двигателем

В статье рассматривается опыт разработки прецизионного электропривода с вентильным двигателем. В электроприводе реализованы принципы подчиненного управления и управления в пространстве состояний. Траекторная ошибка в приводе минимизируется за счет программирования траектории движения, программной компенсации возмущений, коррекции сигналов датчиков положения и идентификации параметров привода.

Рациональные схемы преобразователей частоты для мощных синхронных индукторных электроприводов

В статье рассмотрен выбор рациональной силовой схемы преобразователя для мощных синхронных индукторных двигателей, отличающихся тем, что обмотка статора этих двигателей может состоять из несвязанных между собой трехфазных секций, питаемых от разных преобразователей частоты и даже от разных электрических сетей. Для таких двигателей имеется возможность увеличить мощность регулируемого электропривода за счет увеличения числа трехфазных секций обмотки статора и числа преобразователей частоты без увеличения или с минимальным увеличением напряжения обмоток статора, добиваясь на силовых приборах невысокого класса больших мощностей регулируемого электропривода при высоком КПД и низкой удельной стоимости, характерных для низковольтной преобразовательной техники. Так, при мощностях до 2500 кВт возможно создание двухсекционных (6-фазных) электроприводов с трехуровневыми мостовыми инверторами на силовых IGBT 12-го класса, с выпрямителями на приборах 12-го класса, при питании от сети 0,4 кВ с использованием стандартных силовых трансформаторов.

 

18 декабря

Экономичный экологичный гибридный городской автобус

В этой статье подробно рассказывается о положении дел в производстве и разработке гибридных автобусов за рубежом и в России. Рассмотрены существующие силовые схемы. Проведен подробный технико-экономический анализ выбора компонентов тягового электропривода. Некоторые разделы статьи, например, в которых сравниваются различные накопители энергии, будут интересны и полезны не только разработчикам тягового электропривода, но и проектировщикам систем с резервными источниками питания.



Введение

В городском цикле движения автобуса, особенно в крупных городах, при резко переменном характере нагрузок, частых остановках, многократных торможениях, двигатель автобуса работает далеко не в оптимальном режиме. Значительная часть топлива сжигается впустую, выбросы в атмосферу угарного газа, двуокиси углерода, других вредных веществ и твердых частиц превышают экологические нормы работы транспортных средств.
Пока самым эффективным решением по экономии топлива и снижению выброса вредных веществ является комбинированная (гибридная) энергетическая система — гибридный привод, который рекомендуется применять в городских маршрутных автобусах. В этом случае в транспортном средстве используются два источника энергии — двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и накопитель энергии. Наиболее экономически и технически целесообразным представляется использование дизель-электрических энергоустановок.
В подобных автобусах достигается уникальный уровень экономичности, экологической чистоты, и при этом обеспечиваются повышенный комфорт и управляемость. Применение гибридной энергоустановки позволяет:
– снизить в 10 раз уровни выбросов вредных веществ (CO, CO2, NOХ, HC и др.);
– обеспечить экономию топлива от 25% до 50%;
– обеспечить запуск ДВС, генерацию и рекуперацию электроэнергии с накоплением и последующим ее использованием;
– использовать ДВС меньшей мощности (снижение мощности до 30% по сравнению с традиционной схемой) при сохранении вращающего момента на колесах;
– организовать работу ДВС в оптимальном по топливной эффективности и выбросам режиме;
– осуществить автономный ход на электротяге, используя только энергию накопителя;
– повысить комфортность автобуса (снизить шум, вибрацию, улучшить управляемость, создать «электронные КПП, АБС» и т.д.);
– повысить надежность и ресурс механической системы торможения и работы автобуса в целом.
До недавнего времени внедрение гибридного привода в конструкции автобусов сдерживалось высокой стоимостью подобных схем, вызванной, в свою очередь, высокими ценами на силовую электронику, электрические машины и накопители электроэнергии. Однако теперь разработаны как экономически оправданные преобразовательные силовые устройства и электрические машины для автотранспорта, так и эффективные накопители электрической энергии. Все это позволяет создать экономичный гибридный привод.
В качестве базового варианта рассматривается дизельный двигатель, однако его можно легко заменить на бензиновый или газовый ДВС. Комплект тягового электрооборудования может использоваться и с перспективными энергетическими установками на топливных элементах, солнечных батареях и т.д. При этом изменения силовой схемы минимальны.

Схемы силовой установки гибридных автобусов

В современном тяговом электрооборудовании для транспорта с комбинированными энергоустановками используется несколько типовых структурных подходов. Системы тягового привода для гибридных транспортных средств по своей конструкции делят на последовательные, параллельные, комбинированные (split) и раздельные.
Последовательная кинематическая схема энергетической установки исключает механическую связь колес с первичным источником энергии. ДВС является источником энергии для электрогенератора, который, в свою очередь, питает электродвигатели привода колес. Между генератором и двигателем (двигателями) привода расположен накопитель энергии (аккумуляторная батарея (АБ) или суперконденсаторы). Накопитель аккумулирует избытки вырабатываемой генератором электроэнергии, получает энергию рекуперации при торможении, обеспечивает пиковые нагрузки на колесах. Схема позволяет стабилизировать режим работы первичного двигателя в плане максимальной топливной эффективности и минимальных выбросов, исключить конструктивные элементы механической передачи: коробки передач, валы и т.д. При сохранении момента привода можно использовать двигатель меньшей мощности. Внедрить такую схему наиболее просто, т.к. можно обеспечить любую компоновку элементов привода (отсутствует передача энергии по механическому каналу). Электрическая схема также довольно проста, ее можно применить как с ДВС, так и с альтернативными источниками энергии (топливными элементами и т.д.). К недостаткам схемы относятся двойное преобразование энергии (теоретически — ниже КПД), необходимость применения электромашин и силового преобразователя на полную мощность привода, относительно высокая цена комплекта тягового оборудования. Последовательная схема наиболее эффективна при движении транспортного средства в режиме с переменными нагрузками, т.е. в городском режиме. В этом случае ее достоинства значительно превышают недостатки, а энергия рекуперативного торможения компенсирует недостаточно высокий КПД в стационарном скоростном режиме. Эта схема является наиболее выигрышной для применения в городских маршрутных автобусах длиной от 12 м и массой свыше 18 т.
Параллельная схема обеспечивает передачу энергии на колеса как от ДВС, так и параллельно — от электродвигателя. При этом накопитель энергии работает так же, как в последовательной схеме. Электродвигатель компенсирует неравномерности работы ДВС и недостатки момента, обеспечивая плавность хода и экономию топлива за счет энергии накопителя, полученной при рекуперативном торможении. При малых оборотах движение транспортного средства может обеспечивать только электродвигатель, а ДВС включается в работу при наборе достаточной скорости движения. Схема имеет относительно высокий КПД и хорошие массогабаритные показатели, к тому же, она относительно недорогая (электрооборудование применяется только на часть полной мощности). К недостаткам схемы относятся сложность механического согласования работы ДВС и электропривода, ограничения в компоновке, необходимость применения устройств механического согласования (коробок передач специальной конструкции). Правда, от согласования работы ДВС и электропривода можно уйти, обеспечив передачу ими момента на разные оси (колеса), однако такой прием не всегда допустим по условиям размещения тягового оборудования и баланса масс транспортного средства. Существенным недостатком схемы является также нестабильность работы ДВС, соответственно, ухудшаются показатели выбросов по сравнению с последовательной схемой. Применение параллельной схемы оправдано для транспортных средств, работающих на маршрутах со средней и более низкой интенсивностью движения (по сравнению с последовательной схемой) для обеспечения экономии топлива при торможениях, спусках, поворотах и т.д. Параллельная схема применима только для двигателей с вращающимся валом и не подходит для альтернативных источников энергии.
Комбинированная схема сочетает преимущества последовательной и параллельной схем за счет специального устройства согласования работы ДВС и электродвигателя (например, несимметричный планетарный дифференциал). Устройство согласования позволяет перераспределять потоки мощности между двумя источниками энергии (тепловой двигатель и электрический накопитель) и двумя каналами передачи энергии на колеса (механическим и электромеханическим) и передавать мощность между ними в любом направлении. В такой схеме может работать как один источник энергии (ДВС или накопитель электроэнергии), так и сразу два (ДВС и накопитель), а вращение передается на колеса как механическим, так и электрическим двигателями, либо только одним из них (любым). Такая схема обеспечивает высокую экономичность, максимальную гибкость в режимах работы системы тягового привода, но является довольно сложной в разработке и реализации, требует создания сложных и дорогих механических элементов.
Раздельная схема предполагает работу либо от механического двигателя (при больших скоростях движения), либо от электрического двигателя (при малых скоростях). Она проста, но экономически оправдана в очень узкой области применения. В конструкциях автобусов такая схема не применяется, т.к. теряет почти все преимущества как последовательной, так и параллельной схемы.
В таблице 1 приведены примеры построения силовых схем различными производителями.

Таблица 1. Примеры построения силовых схем гибридных автобусов

BAE Systems, Великобритания

Последовательная с синхронным генератором с постоянными магнитами (СГПМ), ТАД. Масляное охлаждение

АБ — Hawker Pb-кисл. (HybriDrive® I) и A123Systems Li-Ion (HybriDrive® II)

ISE/Siemens,США

Последовательная Elfa® от Siemens A & D (Германия). Два 3-фазных IGBT-инвертора (7/8 стоек полумостов) СГПМ или асинхронный генератор (АГ), ТАД

АБ — Zebra (Германия) NiNaCl2 или Cobasys (США) Ni-MH и/или суперконденсаторы Maxwell, США

Voith, Австрия

Последовательная ELVO®. Идентичные синхронные генератор и двигатель специальной конструкции с постоянными магнитами на роторе, двумя статорами (внешним и внутренним) и поперечным (аксиальным) магнитным потоком. Жидкостное охлаждение

Суперконденсаторы Maxwell, США

GM/Allison, США

Параллельная. Схемы EP40, EP50. Сдвоенный трехфазный преобразователь (выпрямитель-инвертор), ТАД. Масляное охлаждение

АБ на основе Ni-MH или Li-Ion, Hyundai

Eaton, США

Параллельная со встроенным мотор-генератором, инвертором, накопителем на основе батареи Li-Ion

АБ на основе Li-Ion

General Motors; Volvo Bus Corporation; North America Bus Industries; Motor Coach Industries; New Flyer Industries и Nova Bus, Канада

Параллельная гибридная схема GM/Allison

 

Enova, США

Комбинированная c IGBT-инвертором, ТАД. Жидкостное охлаждение

АБ UTS Power, США

Внедрение гибридных автобусов на мировом рынке

Создание гибридных автобусов является мировой тенденцией в автобусостроении. В этом направлении работают многие мировые производители. Наиболее активно над созданием гибридных силовых установок и автобусов работают североамериканские производители в сотрудничестве с крупными энергетическими компаниями и национальными лабораториями EPRI, General Electric, NREL, INEEL, ISE Research и др. В этом регионе эксплуатация автобусов с гибридными энергоустановками началась в 1997 г., и в настоящее время работают уже тысячи гибридных автобусов, первичными источниками энергии которых служат как ДВС, так и топливные элементы. Разработка и производство ведутся согласно государственной программе The 21st Century Truck Program (21CT) and the U.S. Department of Energy (DOE) Advanced Heavy Vehicle Hybrid Propulsion System R&D Program (Heavy Hybrid Program). В 2002 г. по заказу министерства энергетики США национальная лаборатория NREL провела анализ разработок гибридных грузовиков и автобусов различных типов с тем, чтобы определить концепцию построения гибридных силовых установок для городского и пригородного транспорта.
В США автобусы с гибридными (дизель-электрическими) силовыми установками разрабатывает и производит несколько компаний. На рисунке 1 показана компоновка автобуса Orion VII Next Generation hybrid. Начиная с 1997 г. продано более 1000 и заказано более 1500 автобусов Orion. Крупнейшими потребителями этой продукции являются Нью-Йорк и Оттава. Последовательная гибридная схема разработана совместно с британской компанией BAE Systems.

Рис. 1. Компоновка  гибридного автобуса Orion VII Next Generation hybrid

США и Канада являются крупнейшими потребителями гибридных автобусов, в основном дизель-электрических. Многочисленные исследовательские проекты автобусов с газовыми двигателями и топливными элементами нами не рассматривались ввиду отсутствия намерений по их коммерциализации. Характерный пример — городские власти Нью-Йорка отказались от закупки около 200 газовых автобусов, направив выделенные средства на закупку гибридных автобусов. Позднее власти приняли решение полностью перейти на закупку гибридного транспорта, аргументируя это тем, что при сходных экологических показателях дизель-электрические автобусы более экономичны, имеют существенные преимущества в эксплуатации и комфорте, не требуют дополнительной инфраструктуры, а разница в цене
(125 — 200 тыс. долл. на один автобус в ценах 2000 г.) довольно быстро окупается.
Несмотря на некоторое отставание в коммерческом внедрении гибридных автобусов, интенсивные разработки в этом направлении ведут и фирмы азиатского региона, прежде всего Японии, Кореи и Китая. В Японии гибридные автобусы создаются с 1991 г. Первые коммерческие автобусы выпустила в 1991 г. компания Hino Motors (подразделение Toyota). Крупнейший китайский автопроизводитель — Shanghai Automotive Industrial Corp. создал совместное производство гибридных автобусов с General Motors. Другой китайский производитель — FAW, второй по обороту в КНР, начал производство гибридных автобусов Jiefang с параллельной гибридной системой по технологии компании Enova (США) осенью 2005 г. Характеристики автобуса: экономия топлива — 38%, сокращение выхлопов — на 30%. На гибридном автобусе Jiefang установлены NiMH-аккумуляторы. FAW планирует произвести 1000 гибридных автобусов к 2010 г. Китайская компания China Yuchai International Ltd. представила в 2008 г. первый комплект тягового оборудования для городского автобуса собственной разработки. Проект основан на применении параллельной схемы с интегрированным стартер-генератором.
Европейские производители пока отстают от американских компаний по коммерческому внедрению автобусов с гибридным приводом, несмотря на то, что исследовательские проекты подобной тематики были начаты в Европе довольно давно. В настоящее время лидером по внедрению гибридных автобусов является Великобритания и, в частности, Лондон, власти которого планируют с 2012 г. пополнять городской автобусный парк только гибридными машинами.
К коммерческому производству гибридных автобусов и схем электропривода для них готовятся такие крупные европейские производители транспортной техники как Mercedes, MAN (Германия), Scania и Volvo (Швеция). Работы идут при финансовой поддержке правительств этих стран. MAN в сотрудничестве с Siemens A&D, используя последовательную схему гибридного привода с суперконденсаторами в качестве накопителей энергии, модифицировала серийный автобус MAN Lion’s City, а Scania создает модификацию автобуса OmniLink на основе гибридной схемы Voith (Австрия) и суперконденсаторов Maxwell (США).
Из других производителей следует отметить DesignLine International Holdings из Новой Зеландии. В 1998 г. компания представила дизель-электрические гибриды, а в 2000 г. перешла на использование в автобусах микротурбин компании Capstone MicroTurbine, АБ (различных типов: NiMH, LiIon или суперконденсаторов) и силовых интеллектуальных модулей SKAI компании Semikron. Автобусы DesignLine EcoSaver поставлялись в США, Великобританию и Японию.

Гибридные автобусы в России

К сожалению, состояние российских разработок в этой области оставляет желать лучшего. И это при том, что до 1990-х гг. СССР занимал одно из лидирующих мест в разработке транспортных средств с электроприводом. Так, еще в 1947—49 гг. в СССР выпускался серийный гибридный автобус с последовательной схемой постоянно-постоянного тока ЗИС-154 (выпущено более 1000 авто­бусов). Еще одним примером разработки подобного транспортного средства может служить микроавтобус РАФ с энергетической установкой на воздушно-водородных топливных элементах и накопителях на AgZn АБ, продемонстрированный на международной московской выставке в 1982 г.
Фактически все крупные автопроизводители выпускают или готовятся к производству гибридных автобусов. В России также проводилось немало разработок современных тяговых приводов для автотранспорта. Научные работы подобной тематики велись НАМИ, НАТИ, НП «Росэлектротранс», соответствующими кафедрами МЭИ (ТУ), МВТУ им. Баумана, МИФИ, рядом научно-производственных предприятий и организаций. Проведению таких разработок и внедрению экологически чистого транспорта (электротранспорта) во многом способствовало Правительство Москвы. Так, им была принята городская целевая программа использования альтернативных видов моторного топлива на автомобильном транспорте города на 2002—2004 гг. В рамках этой программы разрабатывалась конструкция комбинированной энергоустановки (КЭУ) для городского автобуса большой вместимости «Московит» (170 пассажиров, разработчик — ЗАО «ОПТИМУМ-ЭЛЕКТРО» совместно с МИФИ). Предполагалось оснастить сочлененный автобус (аналог — двухсекционный «Икарус-435») асинхронным тяговым приводом, почти вдвое уменьшив мощность ДВС и до 2,5 раз сократив расход топлива в городском цикле движения. В нескольких московских организациях при участии городских комитетов науки и промышленной политики (науки и технологий), транспорта и связи, экологии были разработаны и профинансированы различные программы создания и внедрения электромобильной техники. НИОКР по этой тематике запланированы в программах прикладных научных исследований и проектов в интересах Москвы на 2006—2008 гг. В настоящее время ряд НИОКР по тематике электротранспорта и водородного транспорта (в т.ч., создание пилотного образца низкопольного электробуса малого класса, универсальной транспортной платформы для грузового автомобиля) ведутся ФГУП НАМИ и ОАО «Корпорация Компомаш».
По заказу Правительства Москвы проводятся и работы по созданию элементов для тягового электропривода (батарей, суперконденсаторов, топливных элементов). Создан макетный образец транспортной платформы с мотор-колесами с приводом от СДПМ, накопителем на основе суперконденсаторов и силовым преобразователем на IGBT. Работы по созданию химических источников тока, топливных элементов проводятся и в рамках ФЦП «Национальная технологическая база» и «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 гг.». Однако, во-первых, практически ни одна из разработок не была внедрена в массовое производство. Во-вторых, преимущественно разрабатывались комплекты для легковых (АО «АвтоВАЗ»), грузовых электромобилей (проекты «ЗИЛ-Электро», «ГАЗель-Электро»), а также гибридомобилей и микроэлектробусов («Лужок» — АО «КОМТРАНС»), и значительно меньше внимания уделялось приводам для автобусов. Разработки для городских автобусов вели: ЦКТ ВВЦ — разработка городского гибридного автобуса на основе КЭУ с бензиновым ДВС, электрогенератором, накопителем на суперконденсаторах; ЗАО «ОПТИМУМ-ЭЛЕКТРО», МИФИ — разработка городского автобуса особо большого класса с КЭУ; ЦНС МВТУ им. Н.Э. Баумана — разработка тяговых приводов для спецтехники, адаптированных, в т.ч., для городских электробусов; АО «КОМТРАНС» («Корпорация Компомаш») — разработки электробуса, гибридного автобуса; ТМЗ — разработка электробуса на базе ДВС и гидро­пневматического рекуператора энергии. Эти проекты не были комплексными — разрабатывались отдельные составные части комплекта тягового оборудования с применением серийных, далеко не оптимальных остальных частей.
Ни одна из разработок не вышла из стадии НИОКР, хотя следует отметить общую тенденцию увеличения финансирования работ по созданию инновационных транспортных средств и элементов привода для них. Однако и эти работы, по-прежнему, не являются комплексными, направленными на создание конечного продукта с оптимальными, «взаимоувязанными» по техническим и экономическим показателям составными частями.
Общей мировой тенденцией в развитии городского маршрутного транспорта является массовое внедрение городских автобусов с КЭУ на основе ДВС, с перспективой перехода на новые виды первичных источников энергии (газотурбинных установок, топливных элементов и др.), которые обеспечивают большую экономичность, экологичность, применение альтернативных видов топлива. В ближайшее время крупные российские города (в первую очередь Москва) приступят к закупкам городских автобусов с КЭУ. Существует опасность, что эту нишу рынка транспортных средств займут европейские или китайские производители, что заблокирует российские разработки тяговых электроприводов и их элементов. С другой стороны, при разумном вложении средств в ближайшее время можно рассчитывать на создание транспортных средств с гибридным приводом с сопоставимыми техническими параметрами и экологическими показателями при лучшем соотношении цены и качества. Возможен экспорт подобной российской продукции в страны СНГ, Восточной Европы, Азии, а также комплектование автобусов белорусских и украинских производителей тяговым электрооборудованием российского производства.

Реализация российского гибридного автобуса

Предприятия Российского электротехнического концерна «РУСЭЛПРОМ» — ООО «Русэлпром — Электропривод» и ОАО «НИПТИЭМ» по заказу ООО «ЛиАЗ» (дивизион «Автобусы» группы «ГАЗ») выполнили разработку комплекта тягового электрооборудования (КТЭО) для городского маршрутного автобуса на основе новой модели низкопольного городского автобуса ЛиАЗ-5292. В процессе этой работы пройдены необходимые этапы тягово-динамических расчетов, математического моделирования, разработки схемотехники и конструкции КТЭО, выполненного по последовательной схеме: генератора, тягового двигателя, силовой и управляющей электроники, вспомогательных систем питания и охлаждения. Создан стенд для испытаний силовой электроники, электрических машин, отработки алгоритмов управления, программного обеспечения контроллеров электропривода и контроллера верхнего уровня для оптимального управления потоками мощности дизеля и накопителя в режимах тяги и торможения. Изготовлены и испытаны на стенде все составные части КТЭО и комплект в целом, включая накопитель энергии, выполненный на основе суперконденсаторов фирмы Maxwell. Весь комплект смонтирован на автобус ЛиАЗ-5292, на котором проводятся заводские и полигонные испытания. Экспериментальный образец такого автобуса, демонстрировавшийся на международном автомобильном форуме в Москве в сентябре 2008 г., занял первое место и получил звание «Лучший автобус России-2008».
Созданный комплект можно легко адаптировать для применения в современных и перспективных отечественных автобусах различных производителей и модификаций (например, «Мичуринский автобус» модели 5277, НефАЗ-5299, «Волжанин» модели Ситиритм-12, ПАЗ-3237, МАЗ-103, МАЗ-203). Последовательная схема наиболее проста в разработке, внедрении, адаптации, оптимальна для городского маршрутного автобуса и экономически наиболее оправдана, что подтверждается опытом мировых и европейских производителей.
Городской автобус с КТЭО удовлетворяет как современным, так и перспективным требованиям:
– по экологичности работы транспортных средств не ниже «Евро-4» (по «Правилам ЕЭК» ООН № 49 (04));
– по экономичности — будет иметь транспортную норму расхода топлива не более 30 л/100 км при движении в городском цикле (экономия не менее 25% по сравнению с базовым автобусом);
– по управляемости и комфортности — будет превышать показатели базового автобуса по плавности разгона и торможения, управляемости и «шумности» работы;
– по показателям надежности — будет иметь среднюю наработку на отказ не менее 100 тыс. ч, вероятность безотказной работы КТЭО за время наработки 1000 ч — не менее 0,995 при экспоненциальном законе распределения отказов по времени.
Разработанный для автобуса ЛиАЗ-5292 КТЭО включает:
– тяговый асинхронный генератор (мотор — генератор) переменного тока (АМ—Г);
– тяговый асинхронный двигатель (ТАД);
– силовые преобразователи с микро­процессорной системой управления (СП) для АМ—Г и ТАД (силовые преобразователи, тормозной чоппер с микропроцессорными системами управления и системой питания собственных нужд размещены в едином блоке силовой электроники (БСЭ));
– буферный накопитель на основе электрохимических конденсаторов — суперконденсаторов;
– контроллер верхнего уровня для управления потоками мощности и тягой с органами управления и отображения информации в кабине водителя;
– тормозной резистор с чоппером*;
– систему питания собственных нужд оборудования КТЭО.
Функциональная схема взаимодействия составных частей (см. рис. 2) КТЭО, выполненного по последовательной схеме, имеет следующий вид: желтыми стрелками показано направление потоков мощности при разгоне и движении автобуса, коричневым цветом — направление потоков мощности при торможении и остановке, а также при запуске ДВС от накопителя энергии при помощи АМ—Г.

Рис. 2. Функциональная схема комплекта тягового электрооборудования, выполненного по последовательной схеме

Рассмотрим аргументы в пользу выбора устройств для реализации отдельных элементов КТЭО.
В качестве АМ—Г и ТАД разработаны, изготовлены и испытаны асинхронные машины. Предпочтение отдано асинхронным низковольтным трехфазным двигателям, т.к. они просты в конструкции, характеризуются уникальными эксплуатационными качествами: большим сроком службы, простотой в обслуживании и ремонте, а отсутствие подвижных электрических контактов обусловливает их высокую надежность.
В настоящее время единственной реальной альтернативой асинхронным машинам в мощном тяговом электроприводе являются синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов типа NdFeB (неодим-железо-бор). В последние годы наблюдается рост выпуска тяговых электроприводов с такими электрическими машинами. Прежде всего, это объясняется освоением промышленных технологий производства высокоэффективных и относительно дешевых магнитов на базе соединения NdFeB. Такие машины, по сравнению с асинхронными, имеют лучшие удельные массогабаритные характеристики, КПД и некоторые другие параметры. Однако асинхронные машины существенно превосходят их в простоте управления, в обслуживании, надежности и механических характеристиках. Кроме того, асинхронный привод отличается лучшим соотношением цены и качества.
В таблице 2 приведены результаты количественного сопоставления асинхронного и синхронного (с возбуждением от редкоземельных магнитов на базе сплава NdFeB) двигателей для индивидуального привода колес электробуса. В таблице 3 приведены экспертные оценки показателей двигателей по основным типам электрических машин, которые могут применяться в тяговом электроприводе.

Таблица 2. Параметры асинхронного двигателя и синхронного двигателя с постоянными магнитами для привода колес электробуса

Параметр

Асинхронный двигатель

Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Общая масса, кг

36

32

Диаметр статора, мм

208

Длина пакета статора, мм

109

122

Общая длина двигателя, мм

197

168

Момент инерции ротора, кг·м2

0,02

0,021

В таблице 2 сопоставляется довольно большое число критериев, причем сами критерии определенным образом ранжированы. Следует отметить, что выбор того или иного типа электрических машин не может быть проведен в отрыве от выбора остальных элементов тягового электропривода. Применение каждого типа двигателей влечет существенные изменения силового преобразователя, механических элементов (редукторов, тормозов), набора первичных измерителей (датчиков положения, скорости и т.п.), а также определяет построение системы управления.
Как видно из таблицы 3, преимуществом обладает асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором. Отметим, что с увеличением мощности двигателей, применяемых в автобусах, экспертные оценки двигателей с постоянными магнитами ухудшаются по показателям управляемости (требуемая для обеспечения высокого КПД двигателя частота коммутации инвертора должна превышать 16 кГц, что на данном этапе развития силовой электроники ведет к значительному завышению установленной мощности и удорожанию преобразователей), надежности, цены, а также ремонта и утилизации.

Таблица 3. Совокупность экспертных оценок

Показатель

Тип электрических машин

Электродвигатель постоянного тока

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором

Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами

Индукторный электродвигатель

Удельная мощность, кВт/ кг, кВт/л

2

3

5

3

Коэффициент полезного действия

2

3

5

3

Управляемость

5

4

4

3

Надежность

3

5

4

5

Производство

5

5

4

3

Цена

3

5

2

4

Итого:

20

25

24

21

В качестве накопителя энергии используется емкостной накопитель на основе модулей электрохимических конденсаторов — суперконденсаторов. Альтернативу суперконденсаторам, применяемым в современных гибридных автобусах, составляют аккумуляторные батареи (NiMH или LiIon), имеющие существенно большую удельную энергию. Однако их применение связано с ограничением режимов заряда и разряда, а главное, они как минимум вдвое уступают суперконденсаторам по ресурсу. Типичный ресурс эксплуатации АБ современного автобуса с КТЭО — 6 лет, тогда как ресурс автобуса — 10—12 лет. Это значит, что за время эксплуатации потребитель должен будет как минимум один раз поменять мощную батарею, а суперконденсаторы не требуют замены в течение всего срока эксплуатации автобуса. В таблице 4 представлены сравнительные характеристики различных накопителей электроэнергии.

Таблица 4. Сравнительные характеристики различных накопителей электроэнергии

 

Тип накопителя

Аккумуляторы

Электрохимические конденсаторы

Показатели

Кислотные

Щелочные

Литий-ионные

Удельная энергия, Вт-ч/кг

20...40

15...80

80...220

2...10

Максимальная удельная мощность, Вт/кг

100...300

500...1300

800...3000

1500... 12000

Ресурс, цикл

100...400

300...2000

500...2500

>1 млн.

Срок службы, лет

2...10

2...15

5...10

>20

Рабочая температура, °С

-30...45

-40... 60

-30...60*

-50...70

КПД, %

70...85

65...80

80...95

>90

Обслуживание

Требуется

Нет

Нет

Цена, долл. /кВт·ч

50...200

500...1500

1000...2500

10000...20000**

Цена, долл. /кВт (номинальной мощности)

50...120

75...400

400... 670

50...100**

*При ухудшении показателей при отрицательных температурах.

**Перспективная цена (промышленное отечественное производство).

В пользу выбора конденсаторного типа накопителя говорят следующие аргументы:
– наивысшая удельная весовая и объемная мощность;
– устойчивость к значительным перегрузкам по напряжению и перезаряду без выхода из строя и безопасность в эксплуатации;
– низкий уровень саморазряда;
– широкий диапазон рабочих температур, необслуживаемость при эксплуатации;
– высокая надежность изделий, подтвержденная многолетними стендовыми испытаниями и эксплуатацией у потребителей.
Электрохимические конденсаторы (ЭК) — новый класс накопителей энергии, появившийся сравнительно недавно. В ЭК запасается и используется электростатическая энергия, а также энергия электрохимических процессов. Как правило, в качестве электродов в таких устройствах применяются углеродные материалы с большой поверхностью (активированные угли), а в качестве электролитов — водные или органические растворы. Основным преимуществом ЭК является то, что они могут очень быстро накапливать и отдавать более высокую энергию, чем традиционные конденсаторы. По сравнению с аккумуляторами, ЭК имеют больший ресурс, не требуют технического обслуживания, хорошо работают в условиях экстремальных температур и имеют меньшую цену номинальной мощности. Использование ЭК позволяет решить ряд задач, которые не могут быть решены с помощью традиционных источников тока.
Важнейший параметр накопителя в составе гибридной силовой установки — циклический ресурс. Специфика движения городского автобуса с частыми остановками, торможениями и ускорениями требует от накопителя большое количество зарядно-разрядных циклов. Число их в зависимости от интенсивности движения составляет 500...1000 циклов в сутки, а за 10 лет эксплуатации — более 1 млн. циклов. Для того чтобы достичь таких показателей, современные аккумуляторы должны работать на небольшую глубину зарядно-разрядного цикла. В условиях работы транспорта с гибридным приводом ресурс свыше 150 тыс. циклов, соответствующий одному году эксплуатации гибридного транспорта, достигается, когда аккумуляторы работают на глубину менее 5% своей емкости (см. рис. 3, 4) .

Рис. 3. Расчетный циклический ресурс для различных АБ в зависимости от глубины разряда (по данным компании VARTA)

 

Рис. 4. Циклический ресурс для Ni-Cd АБ в зависимости от глубины разряда при температуре 20…25°С (по данным компании SAFT)


В таблице 5 сравниваются различные накопители, предназначенные для городского автобуса с гибридным приводом (массой 18 т). Как видно из таблицы, по технико-экономическим показателям ЭК выглядят предпочтительней аккумуляторов. ЭК характеризуются самым высоким ресурсом и сроком службы, наименьшей массой, более широким диапазоном рабочих температур и не требуют обслуживания.

Таблица 5. Сравнение накопителей, предназначенных для городского автобуса с гибридным приводом

Тип накопителя

Требования

Кислотный

Щелочной

Литий-ионный

ЭК

Запасаемая энергия с учетом КПД накопителя (0,9), кВт-ч*

Запасаемая энергия (с глубиной работы аккумуляторов 5 %), кВт·ч

20

1,0

Масса с системой охлаждения, кг

<500

760...1500

400... 1600

300...500

300...600

Рабочая температура, °С

-30...45

-40...60

-20...60

-50...70

Ресурс, млн. цикл.

>1

<0,1

<0,3

<0,15

>1

Срок службы, лет

10.12

<1

<3

<2

>10

Способ определения заряда и остаточной емкости

Ориентировочный, требуется специальное оборудование

По напряжению

Стоимость комплекта, тыс. руб.

24...96

240...720

480...1200

240...480

Количество комплектов за срок службы 10 лет

>10

>3

>5

1

Стоимость обслуживания, тыс. руб.

24...96**

48...144**

Общая стоимость, млн. руб.

0,5—1,9

0,9—2,6

2,4—6,0

0,3—0,5

* Запас энергии, необходимый для выполнения разгона городского автобуса массой 18 т.

(Расчетная энергия, необходимая для разгона автобуса массой 18 т до скорости V = 60 км/ч, равна Ет = m·V2/2 = 18000 -16,722 = 2,5 МДж. Учитывая потери при трении и сопротивлении воздуха, в электродвигателе, в механических передачах через КИ = 0,75, получаем энергию разгона Ер = ЕтИ = 2,5/0,75 = 3,33 МДж = 926 Вт·ч. Принимая КПД накопителя 0,9, получаем 1 кВт·ч).

** Как показывает практика, стоимость обслуживания свинцовых аккумуляторных батарей примерно равна их продажной стоимости, а стоимость обслуживания щелочных батарей составляет 20% продажной стоимости.

Стоимость аккумуляторов любого типа (особенно Li-Ion-батарей), используемых в течение всего периода эксплуатации автобуса, существенно превышает стоимость ЭК.
Свинцово-кислотные аккумуляторы, несмотря на низкую стоимость, имеют неприемлемо малый ресурс и требуют серьезного обслуживания, что приводит к большой суммарной стоимости накопителя. У кислотных АБ есть и ряд других недостатков: низкая надежность (характерное явление «внезапный отказ»), большая масса и объем (дополнительный неоправданный расход топлива), ненадежная работа при отрицательных температурах, плохо воспринимаемый заряд, низкий КПД в цикле «заряд/разряд». Дополнительным недостатком является наличие ядовитых свинца и кадмия, которые используются в кислотных и некоторых щелочных аккумуляторах.
В экспериментальном КТЭО в качестве накопителей использованы суперконденсаторы фирмы Maxwell. В настоящее время концерн «РУСЭЛПРОМ» и ЗАО «ЭЛТОН» ведут совместные работы по созданию высокотехнологичного производства отечественных ЭК для гибридных транспортных средств. В таблице 6 приведены сравнительные характеристики конденсаторных модулей, выпускаемых ЗАО «ЭЛТОН» и Maxwell, и предназначенных для гибридного транспорта.

Таблица 6. Сравнительные характеристики конденсаторных модулей, выпускаемых «ЭЛТОН» и Maxwell

 

 BMOD0063-Р125 Maxwell

30ЭК502 «ЭЛТОН»

30ЭК404 «ЭЛТОН»

Рабочее напряжение, В

125

45

45

Максимальное напряжение, В

135

48

48

Емкость, Ф

63

200

400

Внутреннее сопротивление, мОм

18

8

12

Габаритный объем, л

99,1

24,5

31,5

Масса, кг

58

30

43

Удельная энергия, Вт·ч/кг (Вт·ч/л)

2,4 (1,4)

1,9 (2,3)

2,6 (3,6)

Удельная максимальная мощность, кВт/кг (кВт/л)

3,7 (2,2)

2,1 (2,6)

1,0 (1,3)

Рабочая температура, "С

-40...65

-50...70

Ресурс, циклы

1 000 000

Более 1 000 000

Система охлаждения

Воздушная принудительная

Система выравнивания напряжения элементов

Требуется

Не требуется

Электролит

Ядовитый органический электролит на основе ацетонитрила (при горении выделяется синильная кислота HCN)

Водный раствор гидроксида калия

 

 

 

Как показывают независимые испытания в России и за рубежом, электрохимические конденсаторы, разработанные в ЗАО «ЭЛТОН», не уступают зарубежным аналогам по большинству важных характеристик, а по показателям энергии и надежности значительно превосходят изделия других российских производителей. Анализ таблицы 6 показывает, что накопители на основе конденсаторов «ЭЛТОН» и Maxwell имеют сходные технические характеристики. Однако следует отметить, что:
– размеры изделий «ЭЛТОН» меньше и плотность запасаемой энергии у них выше, что имеет особое значение для транспорта, где размещение любого дополнительного оборудования составляет проблему;
– конденсаторы «ЭЛТОН» имеют более широкий диапазон рабочих температур;
– накопитель «ЭЛТОН» не нуждается в системе выравнивания напряжения элементов;
– для конденсаторов Maxwell характерен значительный рост внутреннего сопротивления (в 2 раза) в течение времени эксплуатации, у изделий «ЭЛТОН» такого свойства не обнаружено.
Важнейшим преимуществом накопителя «ЭЛТОН» является также гораздо более высокая безопасность в эксплуатации и устойчивость к значительным перегрузкам по напряжению и перезаряду. Конденсаторы «ЭЛТОН» не содержат горючих и токсичных материалов, в то время как конденсаторы Maxwell содержат горючий токсичный электролит. При температурах 50…60°С устройства потенциально небезопасны. Накопитель Maxwell при установке на транспорте оборудуется системами контроля температуры, пожаротушения и выравнивания напряжения элементов. Таким образом, ЭК, конкурентоспособные не только в качественном, но и в ценовом отношении, наиболее оптимальны для использования в качестве накопителей энергии в КТЭО городского автобуса.
В качестве силовых преобразователей (СП М–Г и СП ТАД) использованы интеллектуальные интегральные модули трехфазного мостового преобразователя SKAI фирмы Semikron. В состав силового интеллектуального модуля входят силовые ключи на IGBT-транзисторах с антипараллельными FRD-диодами, схемы защиты силовых ключей и формирователи импульсов управления (интеллектуальные драйверы), конденсатор шины постоянного тока, датчики тока, напряжения и температуры. Силовые ключи и технология прижимного контакта фирмы Semikron имеют лучшие характеристики в своем классе и лучшие показатели надежности, устойчивости к энерготермоциклам, что особенно важно для транспортных применений. Модуль имеет чрезвычайно малую внутреннюю паразитную индуктивность, что позволяет строить на нем преобразователь с повышенным напряжением звена постоянного тока (до 900 В при IGBT на 1200 В).
Уникальная конструкция модуля SKAI, специально разработанного для применения в системе тягового привода на автотранспорте, имеет лучшее соотношение цены и качества и позволяет строить преобразователь с возможностью изменения направления передачи мощности. Он обеспечивает возбуждение асинхронного генератора, управление генератором в режиме двигателя при пуске дизеля и при торможении автобуса, управление тягой асинхронного двигателя и его генераторным режимом при торможении автобуса. Для управления модулями SKAI разработана плата микроконтроллера управления на базе аналого-цифрового сигнального процессора, в котором реализованы оригинальные алгоритмы векторного управления моментом и скоростью. На фото (см. рис. 5) показано размещение блока силовой электроники (в режиме отладки) с СП М–Г, СП ТАД в заднем свесе автобуса ЛиАЗ-5292 со стороны салона.

Рис. 5. Размещение блока силовой электроники (в режиме отладки) с СП М-Г, СП ТАД  в заднем свесе автобуса ЛиАЗ-5292

В качестве шины управления выбрана шина CAN, обеспечивающая создание простой интегрированной системы управления «КТЭО — органы управления автобуса», с возможностью организации интерфейса для внешних устройств (ноутбук, модуль GPS/ГЛОНАСС). Все микроконтроллеры силовых преобразователей, а также контроллер дизеля связаны CAN-шиной с контроллером верхнего уровня, который обеспечивает связь с органами управления и индикации в кабине водителя, а также связь с другими системами автобуса (ABS, ACS, тормозной и гидравлической системами, усилителем руля и т.д.) и управляет потоками мощности для обеспечения оптимальных по топливной эффективности и уровню выбросов показателей работы автобуса в городских циклах движения.
На фото (см. рис. 6) показан монтаж элементов КТЭО в заднем свесе автобуса: тяговый двигатель и генератор с воздушным принудительным охлаждением, блок силовой электроники — с системой жидкостного охлаждения. Блок накопителей и вспомогательных источников расположены на крыше автобуса. Функциональная схема КТЭО для автобуса ЛиАЗ-5292 с гибридной энергоустановкой показана на ри­сунке 7.

Рис. 6. Монтаж элементов КТЭО в заднем свесе автобуса

Рис. 7. Функциональная схема комплекта тягового электрооборудования для автобуса ЛиАЗ-5292 с гибридной энергоустановкой

Технические характеристики всех компонентов КТЭО, особенности схемотехники и конструкции, алгоритмы и программы управления контроллерами, результаты тестовых, заводских и полигонных испытаний будут являться предметом отдельной статьи.

Заключение

Улучшение экономических и экологических показателей работы энерго­установки автобуса с КТЭО обусловлено качественно другим режимом работы ДВС в ее составе. Дизельный двигатель будет работать в стационарном режиме, оптимальном по экономии топлива и выбросам вредных веществ. Применение дизеля меньшей мощности в гибридном автобусе по сравнению с серийным, возможность рекуперации энергии при торможении, движении накатом или сбросе скорости позволит сэкономить до 50% топлива. Управляемость гибридного автобуса и его комфортность обеспечиваются скоростью реакции системы управления и электропривода на управляющие воздействия водителя. Электрическая система на порядок превышает скорость реакции механической или гидромеханической системы. Шумность тягового оборудования снижена за счет исключения механической связи между ДВС и колесами (половина элементов механической трансмиссии) и применения ДВС меньшей мощности по сравнению с традиционной схемой. Применение электронной системы управления тяговым приводом позволит реализовать функции управления и сервиса, недоступные на обычном транспортном средстве. Что касается стоимости КТЭО и гибридного автобуса на его основе, то при серийности не менее 100 ед. в год стоимость КТЭО не превысит 1,5 млн. руб., а стоимость гибридного автобуса на основе ЛиАЗ-5292 не превысит 4,7 млн. руб. в ценах 2008 г. (по оценкам специалистов дивизиона «Автобусы» группы «ГАЗ»). Ближайший зарубежный аналог, серийный выпуск которого начнется в 2010 г. — автобус Man Lion’s City Hybrid — будет стоить около 400 тыс. евро (более 10,5 млн. руб.). Серийно выпускаемый в настоящее время аналог — гибридный вариант автобуса Orion VII производства DaimlerChrysler стоит 385 тыс. долл. в ценах 2007 г. (около 15,5 млн. руб.).
По оценкам специалистов дивизиона «Автобусы» группы «ГАЗ», увеличение стоимости автобуса на стоимость КТЭО с учетом уменьшения стоимости дизеля меньшей мощности, удаления автоматической коробки передач и т.д. только за счет экономии топлива в 25% окупится через 100—120 тыс. км пробега. А если учесть снижение эксплуатационных затрат на обслуживание, ремонт и расходные материалы, повышение ресурса работы дизеля, а также снижение уровня выбросов почти в 10 раз, то городской автобус с гибридной силовой установкой не зря считают, пожалуй, единственным экономически и технически оправданным транспортным средством, позволяющим экономить топливо и соблюдать экологическую чистоту.
Совершенно очевидно, что создаваемый автобус с КТЭО для последовательной гибридной электромеханической трансмиссии будет конкурентоспособным по соотношению «цена/качество» не только на внутреннем, но и на внешнем рынках. Зарубежный рынок городских маршрутных автобусов с гибридной силовой установкой оценивается в 10 тыс. автобусов в год. При средней цене таких автобусов 400 тыс. евро ежегодный, начиная с 2010 г., объем продаж составит около 4 млрд. евро (около 150 млрд. рублей).
Концерн «РУСЭЛПРОМ», обладая научно-техническим и производственно-технологическим потенциалом для выпуска всех компонентов тягового электрооборудования для гибридных городских автобусов — тяговых генераторов и двигателей, силовой и управляющей электроники, а вместе с ЗАО «ЭЛТОН» и накопителей, готов предложить отечественным и зарубежным автобусным заводам комплект тягового электрооборудования и адаптировать его к низкопольным городским маршрутным автобусам, выпускаемым этими заводами.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Станислав Флоренцев, ген. директор, ООО «Русэлпром-Электропривод», Лев Макаров, ген. конструктор, ООО «РУСЭЛПРОМ», Владимир Менухов, ген. директор, ЗАО «ЭЛТОН», Игорь Варакин, зам. ген. директора, ЗАО «ЭЛТОН»



Комментарии

1 / 1
1

129 июня, 13:22

Александр Дюжев-Мальцев

Где автобусы? Прошло ведь уже два года.

http://www.zr.ru/forum/topic/352704-%D0%BC%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%B2%D0%B8%D1%87%D0%B8-%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B5%D1%81%D1%8F%D0%B4%D1%83%D1%82-%D0%BD%D0%B0-%D0%B3%D0%B8%D0%B1%D1%80%D0%B8%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B5-%D0%BA%D0%B8%D1%82%D0%B0%D0%B9%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5-%D0%B0%D0%B2%D1%82/

1 / 1
1

Прокомментировать





 
 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2016 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты