SUPERKAPACITOR PRO HYBRIDNÍ POHON VOZIDLA Pel Minl Elekroechnická fkul ČVUT Prh Úo Akumulce elekrické energie je jením ze zážných problémů noě yíjených elekrických i hybriních pohonů oziel. Triční řešení ohoo problému ychází z klických elekrochemických kumuláoroých yémů n bázi olo či NiC, noější pk z kumuláorů Ni-MH. Sále neyřešeným problémem je mlá objemoá hmononí energeická huo zmíněných kumuláorů poronání huoou energie klických pli, použíných zážehoých nebo zněoých moorech. To má z náleek poměrně pomlý užielky omezený náup čiě elekrických pohonů u oziel pro nezáilou rkci. Součné reny éo obli něčují, že problém bezpečného oečně elkého záobníku energie pro pohon oziel není ále yřešen ýoj je měrem k použií hybriních pohonů,.j. kombince klických plocích moorů opimlizoným prconím režimem příného elekrického pohonu, použielného pro jízu měkém prořeí. Přičemž záobník elekrické energie je průběžně obíjen ýkonoými přebyky plocího mooru je yužíán pouze pro kryí zýšených ýkonoých nároků při jízních mnérech, jko je npř. přejížění nebo pro kumulci energie při rekuperčním bržění či při jízě z kopce, ky lze kumulo poenciální energii ozil. Pro yo účely je požoán yoká ynmik příjmu ýeje energie záobníku. Klické chemické kumuláory mjí omo režimu poměrně mlou účinno liem nezbyné konerze elekrické energie n energii chemickou zpě. Též ynmik ohoo proceu je omezená. Proo jou hleány jiné principy kumulce elekrické energie. Jko perpekiní e éo obli jeí použií uperkpciorů, keré přeují noý konrukční prek použielný ke krákoobé kumulci rychlému ýeji poměrně elkého množí energie bez nměrných zrá. Cílem přípěku je eoreický ýpoče pořebné kpciy prkické oěření lnoí uperkpcioru e fyzikálním moelu hybriního pohonu uomobilu. Teoreický kinemický moel jízního mnéru přeuje jenouchou, le prkických proozních pomínkách čo proáěnou operci, pro kerou je pořebné mí oečnou záobu energie. Kinemický moel jízního mnéru Pohyb ozil při jízním mnéru je chrkerizoán - igrmem ueeným n obr.. V čoém inerlu ozilo kceleruje konnním zrychlením z rychloi n.
Po přejeí e zřzuje o ého jízního pruhu přizpůobuje oji rychlo přechozímu u, j. zpomluje během inerlu 3 z rychloi n. Pro uálenou rychlo yužíá energii plocího mooru, pro kryí zýšených energeických nároků n přejížění je yužíán energie ze uperkpcioru, by nemuel bý měněn prconí režim plocího mooru. 3 Obr. - igrm jízního mnéru Dráh, ujeá ozilem během přejížěcího mnéru je obecně yjářen zhem 3 V poinerlu ozilo zrychluje kcelercí překonáá záleno. V poinerlu 3 ozilo zpomluje e zpomlením překonáá záleno. S ohleem n užoné konnní zrychlení i, lze jejich eliko yjáři zhy 3 Přílušné ujeé zálenoi během mnéru jou Pořebné urychlující zpomlující íly přílušnými energiemi jou Tyo zhy znebájí eroynmický opor ozil ření, keré lze ohnou cc n 30% energie pořebné pro kcelerci ozil. m m ENERGIE AKUMULOVANÁ V SUPERKAPACITORU Celkoá energie elekrického pole uložená uperkpcioru je án zhem SC C U
Pro prkické plikce je yužielná pouze její čá z ůoů nemožnoi čerpání energie ž o úplného ybií uperkpcioru pokleu npěí n nulu. S ohleem n klející účinno přečerpáání energie při klejícím npěí e jeí jko kcepoelné ybíjení n 50% jmenoiého npěí uperkpcioru. Při počáeční honoě npěí uperkpcioru U přeuje o pomínk přípuný pokle npěí při ybíjení n eliko U /. Energie SC, kerá je z ěcho pomínek k ipozici je án ýrzem U SC C ( U ( ) ) 3 CU 8 A pořebná kpci uperkpcioru je 8 C 3U Sření hono ýkonu P, pořebného pro kcelerci je SC P ÚČINNOST KONVERZE ENERGIE A BEZPEČNOSTNÍ REZERVA PRO DOKONČENÍ MANÉVRU Při klkulci celkoé inloné kpciy uperkpciorů je nuné repeko účinno konerze energie ze uperkpcioru o rkčního mooru ále je nezbyné klkulo nezbynou energeickou rezerou pro bezpečné okončení přejížěcího mnéru. To znmená, že pořebná kpci uperkpcioru, ypočená přechozím oci, bue mue bý ohleem n yo fkory zýšen. Míru nýšení kpciy lze noi n záklě ohu účinnoi elekronických měničů (honoceno pouze účinnoí ýkonoých čáí, neboť říicí oboy měničů jou npájeny z proozní plubní íě) pořebné bezpečnoní rezery. Při užoání účinnoi ýkonoých čáí měničů η 0,8 bezpečnoní energeické rezery e ýši 80% celkoé yužielné energie, je celkoá inloná kpci uperkpcioru přibližně yjářen zhem C C in 6 3U SC
NUMERICKÉ VÝPOČTY Pro prkický ýpoče pořebné inloné kpciy uperkpcioru uomobilu hybriním pohonem buou užoány náleující ýchozí prmery: Hmono uomobilu 500 kg Počáeční rychlo n zčáku přejížěcího mnéru če 0: 30 m -. Dob kcelerce 0 n č Dožená rychlo n konci kcelerčního inerlu : 40 m -. Během náleujícího 5 inerlu če ž 3 ochází ke nížení rychloi zpě z 40 m - n 30 m - Grfické znázornění mnéru je ueeno n obr.. S yužiím přechozího obecného oození oneme: 0 0 m m 0 3 5 Vzálenoi ujeé ozilem čoých inerlech - - 3 jou: * * 00 50 m * * 5 5 m Urychlující zpomlující íly energie jou m m 500 * 500 N 500 * 3000 N 75000 J 3000 * 5 75000 J Ueené ýpočy nezhrnují zráy yolné eroynmickým oporem řením, keré jou ohnuy n 30% kcelerční energie,.j. 5*0 3 J. Tím celkoá pořeb energie SC, kerá by měl bý k ipozici uperkpcioru pro celé kryí energeických nároků přejížěcího mnéru oupne n přibližně *0 5 J. Pořebná celkoá inloná kpci uperkpcioru při počáečním npěí U 50V pk ychází 5 6 SC 6*0 Cin C 3 3U 3*50 EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ TEORETICKÝCH ZÁVĚRŮ K oěření eoreických záěrů je připreno experimenální prcoišě hybriním pohonem, jehož blokoé chém je ueeno n obr.. Srojoé ybení experimenálního prcoišě obhuje:
Aynchronní moor plynulou regulcí oáček (imulce plocího mooru) Elekromechnický ělič ýkonu peciální konrukce Aynchronní moor plynulou regulcí oáček (jko rkční moor) Aynchronní moor plynulou regulcí oáček (imulce rkční záěže) Superkpciory pro kumulci energie. Elekrická ýb obhuje pě měničů energie, z oho jou použiy pro řízení pohonů, imulujících plocí moor jízní záěž (Blok ICE rcion lo/brke), jejichž účinnoi nejou přeměem leoání. Zbylé ři měniče jou yužiy pro konerzi energie během nbíjecího nebo ybíjecího cyklu uperkpcioru. Přeměem experimenu je oěření celkoé účinnoi přeměny krákoobého uložení energie uperkpcioru během jenoho nbíjecího ybíjecího cyklu, imulujícího přejížěcí mnér uomobilu. Hlní pozorno je ěnoán celkoé energeické bilnci mnéru, imuloné n fyzikálním moelu hybriního pohonu. Dlší experimeny buou změřeny n zkoumání ynmiky nbíjecích ybíjecích proceů uperkpcioru. Pro fyzikální imulci přejížěcího mnéru je použio pouze čái experimenálního noišě, kerá zhrnuje lní uperkpcior, jeho nbíjecí ybíjecí měnič, frekenční měnič pro npájení rkčního mooru rkční moor. Blokoé chém měřicího prcoišě pro popioný experimen je ueeno n obr.3. Záěž rkčního mooru oří brzoý ynchronní moor přílušným frekenčním měničem. Celá ou je oplněn měřicími onmi, čyřknáloým ocilokopem yémem pro měření ýkonu zěžocího mooru. Řízení experimenu je pré fázi mnuální, lší epě e připruje uomické řízení. Určení mechnického ýkonu rkčního mooru e proáí z elekrických eličin, zíkných měřicím yémem náleným přepočem pole cejchoní chrkeriiky brzicího mooru. Po zlánuí problémů, pojených e řízením experimenu je připreno přené měření ýkonu n hříeli rkčního mooru pomocí měřiče krouicího momenu oáček. Super-cpcior energy ccumulor Mechnicl energy Elecricl energy Obr. Blokoé chém experimenálního prcoišě hybriního pohonu MAINS Super-cpcior chrging DC/DC coneror MANS Coneror requency DC DC requency coneror AC AC coneror Elecric moel ICE Power plier Trcion moor Trcion lo /BRAKE/
SUPER CHARGING REQUENCY TRACTION BRAKE INCREMENT. CAPACITOR CONVERTOR CONVERTOR MOTOR /AM/ SENSOR DC SOURCE POER METERING SYSTEM REQUENCY CONVERTOR INTEGRATOR DC CURRENT DC VOLTAGE 4- CH DSO DC CURRENT SPEED Obr.3 Blokoé chém čái měřicího noišě čeně yémů pro měření účinnoi přenou energie mezi uperkpciorem rkčním moorem ZÁVĚR Cílem ueeného experimenu je oěření celkoé účinnoi přenou energie mezi energeickým záobníkem, ořeného uperkpciorem rkčním moorem hybriního pohonu. N konkréním jízním mnéru, relizoném n fyzikálním moelu, oěři hono použií uperkpcioru eoreické ýpočy ouiející určením jeho kpciy. POUŽITÁ LITERATURA [] Mierlo,J.V.: Simulion ofwre for comprion n eign of elecric, hybri elecric n inernl combuion ehicle wih repec o energy, emiion n performnce, Vrije Unieriei Bruel, 000 [] Bílek,J.: Elecric Equipmen of Dieel-Elecric Trin Sloenká rel (in Czech) Elekrická ýzbroj mooroých ozů Sloenká rel Elekroechnický obzor, ročník 6, čílo 6, uben937. [3] Hibbeler,R.C.: Engineering Mechnic-Dynmic, 4-h eiion Mcmilln Publihing Compny, New York 988 ABSTRACT: Preene pper el wih uper-conener energy orge eluion. A imple mhemicl moel for uper-cpcior cpcince eerminion i preene. Reul of mhemicl clculion re erifie on hybri-rie experimenl bench.