Содержание к диссертации
Введение 6
Глава 1, Перспективы развития электромобилей 12
1 Л. Электромобиль как вид электрического транспорта .... 12
1.2. Причины появления электромобилей 13
1.2 Л - Трудности в эксплуатации электромобилей 15
1,3- Основные промышленные типы электрохимических
аккумулирующих систем для тягового электроприво
да 17
1.3Л, Общие сведения 17
Никель-кадмиевая электрохимическая система 17
Никель-металлгидридная электрохимическая система 25
1.3.4, Свинцово-кислотная электрохимическая система... 27
1-3.5. Литий-ионная электрохимическая система 32
1.4. Выбор элеирохимической системы для тягового при
вода электромобиля 38
1,4 Л. Обоснование выбора источника энергии
1.4.2, Выбор литий-ионного аккумулятора для батареи
тягового привода электромобиля 49
Выводы по Главе 1 53
Глава 2. Функционирование литий-ионных аккумуляторов и
батарей 54
2Л. Особенности эксплуатации литий-ионных аккумуля
торов 54
2-1 Л. Заряд литий-ионных аккумуляторов 54
2Л .2. Разряд литий-ионого аккумулятора 56
2.1.3, Температурная устойчивость литий-ионных акку
муляторов 56
2Л А Короткое замыкание литий-ионных аккумуляторов. 58
2.2. Формирование подходов проектирования системы
контроля и управления батареей литий-ионных ак
кумуляторов 58
2.2Л. Общие принципы построения системы контроля и
управления 58
2,2.2. Структура системы контроля и управления тяговой
батареей химических аккумуляторов электромо
биля 60
2.2.2Л, Общие подходы к формированию протокола
обмена Master-Slave 62
2.2.2,2. Общие подходы к формированию протокола
обмена Master-ЦУЭ 62
2-2.2.3- Общие подходы к формированию протокола
обмена Модуль защиты-ЦУЭ 63
2.3. Методика измерений параметров аккумуляторной ба
тареи тягового привода электромобиля и их регулиро
вание. Функции и зависимости 64
2.3Л- Измерение напряжения аккумуляторов литий-
ионной тяговой батареи 64
2.3ЛЛ* Методы реализации деления в цифровых вы
числительных устройствах 70
2,3Л .2, Пороговые значения напряжений на аккумуля
торе 72
2,3,2, Динамическое определение конечного разрядного
напряжения аккумуляторов батареи 73
233. Нивелирование напряжений аккумуляторов тяго
вой батареи электромобиля 74
23.4- Измерение температуры аккумуляторов литий-
ионной тяговой батареи 80
23-5. Измерение давления в литий-ионных аккумулято
рах 82
23.5Л. Пороговые датчики давления 83
23.5,2, Аналоговые датчики давления 85
23.6- Регулирование величины зарядного, разрядного
тока и напряжения тяговой аккумуляторной ба
тареи 88
23.6Л, Проектирование пропорционально-
интегрального регулятора 89
2,3.6,2, Алгоритм цифрового ПИ-рсгулятора 90
2.4, Защита батареи тягового привода электромобиля в
случае отказа системы контроля и управления 94
2.4Л. Диагностика ведомых устройств системы контроля
и управления 95
2.4.2. Диагностика ведущего устройства системы кон
троля и управления 97
Выводы по Главе 2 100
Глава 3. Схемотехнические решения и исследование состав
ляющих системы контроля и управлення 101
3.1. Способы построения системы измерения напряжения литий-ионных аккумуляторов батареи. Сравнение,
выводы , 101
ЗЛЛ. Измерение напряжений аккумуляторов батареи ме-
j тодом цепочки резистивных делителей 101
3.1.2. Измерение напряжений аккумуляторов батареи ме
тодом коммутации измерительных выводов 107
3. КЗ. Сравнение способов измерения напряжений 114
Построение системы нивелирования напряжений литий-ионной аккумуляторной батареи - 117
Методы измерения тока силовой цепи литий-ионной аккумуляторной батареи тягового привода электромобиля 118
33Л- Индуктивный датчик тока 119
Измерение тока с помощью шунта 120
Сравнение и выбор метода измерения тока силовой
цепи тяговой батареи электромобиля 123
3.4. Макетные испытания программно-аппаратного ПИ-
регулятора 125
3.5. Испытания системы защиты аккумуляторной батареи
при отказе системы контроля и управления 132
Выводы по Главе 3 137
Глава 4. Физическая реализация системы контроля и управления литий-ионной тяговой аккумуляторной батареей
4Л. Функциональное решение по проектированию систе
мы контроля и управления секцией аккумуляторной
батареи 138
4.2. Выбор элементной базы системы контроля и управле-
ния секцией аккумуляторов батареи 139
* 4.2Л. Выбор элементной базы устройства для контроля
параметров секции аккумуляторной батареи 140
4,2.2. Выбор элементной базы верхнего уровня системы
контроля и управления аккумуляторной батареей. 148
4.3, Секция контроля и управления аккумуляторной бата
реей электромобиля. Схема электрическая принципи
альная 150
Выводы по Главе 4 157
Заключение 158
Библиографический список использованных источников 159
Перечень используемых терминов 168
Приложение 1. Структура системы контроля и управления тя
говой батареей электромобиля 170
Приложение 2. Сообщения системы контроля и управления
^ тяговой батареей электромобиля 171
Приложение 3. Подпрограмма цифрового ПИ-регулятора 172
Приложение 4, Структурная схема системы контроля и управ
ления секцией тяговой аккумуляторной батареи элек
тромобиля 173
Приложение 5. Система контроля и управления секцией акку
муляторной батареи. Схема электрическая принципи
альная 174
Приложение 6. Акт о внедрении результатов диссертации 175
Введение к работе
Электрический транспорт по своим экологическим характеристикам значительно превосходит различные виды транспорта с тепловыми двигателями. Однако тенденции по созданию и развитию электрического транспорта предопределили преимущественное использование таких его видов, которые получают электроэнергию от системы тягового электроснабжения через контактные провода. Поэтому мобильность контактного электрического транспорта (объезд препятствий, изменение маршрута движения) является весьма ограниченной и значительно уступает мобильности транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания. Тем не менее, загрязнение окружающей среды от традиционного автомобильного транспорта, особенно в крупных городах, приобрело такие масштабы, что поиск альтернатив автотранспорту работающего на углеводородном топливе совершенно необходим.
Одним из основных путей снижения негативного влияния автотранспорта на окружающую среду является переход на экологически безопасные источники энергии. Альтернативное средство передвижения должно, по крайней мере, не уступать маневренности и расчетному пробегу транспорта работающего на традиционном топливе- Приоритетным направлением развития экологически безопасного транспорта являются электромобили и гибридные электромобили с комбинированной энергоустановкой, В настоящей работе электромобили на основе комбинированной энергоустановки не рассматриваются.
Электромобиль это транспортное средство, основным источником энергии которого является электрохимическая аккумуляторная батарея или молекулярный накопитель- К аккумуляторным батареям (накопителям энергии) тягового электропривода электромобиля применяется ряд требований. Они должны быть взрыво- и пожаробезопасными, иметь
минимальные массогабаритные показатели, высокий КПД зарядно-разрядной характеристики, иметь широкий диапазон рабочих температур, минимальный саморазряд, высокий срок службы, быть механически прочными, простыми в обслуживании и выделять минимум токсичных газовыделений.
Следует отметить, что современная электрохимическая аккумуляторная батарея является не только обычным носителем заряда, но так же включает в себя электронное оборудование диагностики ее состояния и управления. Данное оборудование (далее система контроля и управления) в составе электрохимического накопителя позволяет повысить долговечность аккумуляторных батарей: взрыво- и пожаробезопасность, простоту обслуживания, высокий срок службы батареи, высокий КПД заряда и разряда.
Гарантированный предприятием-изготовителем срок службы аккумуляторной батареи главным образом зависит от ее правильной эксплуатации. Режимы эксплуатации источников тока должны соответствовать технической документации, предоставляемой предприятием-изготовителем изделия. Электрохимической системе каждого типа соответствуют свои эксплуатационные характеристики, В случае необходимости в источнике энергии повышенной надежности (промышленное или специальное применение), технические характеристики предоставляются для конкретного набора аккумуляторов.
Соблюдая режимы эксплуатации, а так же применяя механизмы перераспределения энергии батареи между аккумуляторами (нивелирование напряжений), добиваются оптимальных условий эксплуатации аккумуляторной батареи, а так же безопасности ее функционирования. За обеспечение оптимального режима эксплуатации тяговой аккумуляторной батареи должна отвечать система контроля и управления состояния электрохимического источника тока, которая является неотъемлемой частью современного накопителя энергии.
Цель и задачи работы. Целью данной диссертации является разработка рекомендаций по выбору источника энергии тягового привода электромобиля для делового центра Москва-Сити, прогулочного электромобиля для экологически чистой зоны отдыха и местности проходящей по экологической программе UNESCO, а так же разработка рекомендаций по созданию системы контроля и управления источником энергии обеспечивающей его оптимальные режимы эксплуатации. Для этого поставлены следующие задачи:
Провести анализ современного состояния рынка химических источников тока и перспектив использования в качестве источника энергии тягового привода электромобиля.
Обосновать выбор источника энергии для поставленной задачи,
Рассмотреть принцип работы выбранного источника энергии и условия его эксплуатации.
Предложить технически обоснованные стратегии построения систем контроля и управления химическими источниками энергии,
Провести и обосновать выбор наилучшего технического решения системы контроля и управления.
Подтвердить выбор технического решения системы контроля и управления на основе проведенных экспериментальных исследований.
Методы исследования. При выполнении работы были использованы аналитические методы моделирования аккумуляторной батареи и численные методы моделирования ПИ-регулятора с использованием одношагового метода Эйлера. При реализации ПИ-регулирования был применен математический пакет MathCad, симулирование в среде MPLAB IDE (Microchip inc.). Экспериментальные исследования проводились с помощью разработанных макетных, экспериментальных и опытных образцов системы контроля и управления.
Научная новизна работы заключается в том, что разработанная система контроля и управления впервые имеет следующие особенности:
обеспечивает поэлементный контроль, выравнивание характеристик отдельных аккумуляторов, контроль температуры и давления аккумулятора;
является самодостаточной системой, в том смысле, что она обеспечивает защиту от перезаряда и переразряда отдельных аккумуляторов батареи и батареи в целом, защиту от токов короткого замыкания, перегрева аккумуляторов;
включает блок самодиагностики в реальном режиме времени;
обеспечивает режим контрольного цикла при работе с аккумуляторной батареей.
Практическую ценность представляют:
рекомендации по выбору аккумуляторной батареи тягового привода электромобиля;
рекомендации по выбору контролируемых параметров аккумуляторной батареи и методах измерений;
методики проектирования системы контроля и управления аккумуляторной батареей тягового привода электромобиля, основанной на выборе оптимальных соотношений параметров, позволяющих обеспечить ее безаварийное функционирование и эффект энергосбережения,
результаты проектирования батареи со встроенной системой контроля и управления.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием теоретических методов и экспериментальным исследованием опытных образцов системы контроля и управления батареей.
На защиту выносятся основные положения:
Рекомендации по выбору химического источника тока для современного электромобиля.
Методика проектирования системы контроля и управления режимами батареи тягового привода электромобиля,
Результаты проектирования системы контроля и управления батареей тягового привода электромобиля.
Реализация результатов работы* Разработанные в рамках диссертационной работы варианты системы контроля и управления химическими источниками тока использовались для проведения исследований литий-ионных аккумуляторных батарей в ОАО «АВЭКС», ОАО «Уралэлемент», ФГУП «Центр Келдыша», ОАО АК «Ригель».
Апробация работы- Основные положения работы докладывались и
обсуждались на следующих конференциях:
Х-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2-3 марта 2004г.
П-ая Всероссийская школа-семинар молодых ученых и специалистов. «Энергосбережение - теория и практика». Москва, 19-21 октября 2004г.
VHI-ая Международная конференция «Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах». Екатеринбург. 5-7 октября 2004г.
VI-ая Международная конференция «Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики». Саратов. 5-9 сентября 2005г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.
Структура и состав диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 105 наименования и шести приложений. Основная часть работы изложена на 167 страницах, включает 115 рисунков и 13 таблиц.
