OPTIMIZAREA SISTEMULUI DE TRACTIUNE A UNUI VEHICOL ELECTRIC

1 NOTIUNI GENERALE

Vehiculul electric suscita ritualmente un interes crescut datorita avantajelor: este nepoluant, fara zgomote si fara schimbarea vitezelor.

Punctul critic al vehicului electric este raportul autonomie/pret de vanzare.

Un Cho!! electric in 1995 costa 95000 F fara bater Pentru  baterii locatia pe o luna era de 600 F, iar autonomia de aproximativ 120 Km.

Obiectivul lucrarii: optimizarea comenzii sistemului de tractiune asincrona a unui vehicul electric in vederea diminuarii consumului energetic.

Se analizeaza doua cai:

a)    prima cale consta in a interveni inaintea motovariatorului modificand referinta de cuplu (fortarea pedalei de acceleratie) pentru a diminua consumul tinand cont de caracteristicile vehiculului.

b)   a doua cale consta a interveni la nivelul motovariatorului determinand strategia de comanda care minimizeaza pierderile ansamblui format din ondulor (invertor) si motor.

In absenta modelului analitic a pierderilor unui motor asociat cu un convertizor static (pierderi in fier in particular), ne vom limita studiul la pirderi in invertor.

2 MODELAREA VEHICULUI ELECTRIC

Modelarea permite caracterizarea si analiza diferitelor organe componente ale vehiculului gradul lor de compatibilitate evoluarea performantelor ansamblui in functie de criterii calitative: formarea semnalului stabilitate si performante dinamice.

Plecind de la analiza modelului sistemului de tractiune, se sintetizeaza legile de comanda.

Pe de alta parte modelarea vehiculelor are ca scop furnizarea unui instrument de simulare, adica un model de referinta care serveste ca suport la modificarile coenzii, si in raport cu care ameliorarile vor fi evoluate cantitativ. Optimizarea performantelor energetice se situeaza la diferite nivele. Va fi nevoie de instrumente adoptate la aceste nevoi.

3 Modelarea unui vehicul electric

Modelare unui vehicol urmareste doua obiective:

Modelarea permite caracterizarea si analizarea diferitelor elemente componente ale vehiculului, gradul lor de compatibilitate, evoluarea performantelor ansamblui prin criterii calitatative: forma semnalelor, stabilitate si performante dinamice.

Modelarea unui vehicol are ca scop furnizarea unui instrument de simulare si anume un model de referinta utilizat ca suport la modificarile comenzii si in raport cu care se evolueaza cantitativ ameliorarile.

Optimizarea performantelor energetice se situeaza la diferite nivele pentru care sunt necesare instrumente adecvate. La optimizarea comenzii ondulorului (invertorului), in care intervin fenomene de ordinul microsecundelor evoluarea puterilor puse in joc, se face pe baza unui model intern analitic numit microscopic (in raport cu pasul de calcul). Simularile nu depasesc o durata de 1 secunda.

La optimizarea autonomiei prin modificarea referintelor conductorului evoluarea puterilor se face pe o durata de cateva zeci de secunde. Constantele de timp sunt in acestcaz de ordinul timpilor de reactie a conductorului (cateva zecimi de milisecunde). Unmodel simplificat este necesar pentru fazele de evalaure, pentru a respecta constrangerile de timp de calcul.

4 PREZENTAREA VEHICULULUI ELECTRIC

Sistemul de tractiune a unui vehicol electric se poate imparti in trei parti: o sursa de putere, un convertizor si un receptor.

In tractiune, sursa este bateria si receptorul transmisia mecanica, fig 1.1. (GMP-grup motor propulsor)

Sursa de energie electica

Putere electrica

GMP Convertizor electromecanic

Putere mecanica

Lant mecanic

Variatia energiei mecanice Eforturi rezistente

Fig 1.1. Transferurile de putere in vehicolul electric in tractiune.

In franare transmisia mecanica devine in parte sursa de putere si bateria este receptorul, fig 1.2.

Lant mecanic

Variatia en. Mecanice

GMP Convertizor electric

Putere electrica

Baterii de tractiune

Fig 1.2. Transferurile de putere in vehiculul electric in franare electrica.

In cele doua cazuri, grupul motor-propulsor (GMP) compus din ondulator (invertor) (si comanda sa) si din motor si din convertizorde putere electromecanica.

Plecand de la aceasta descompunere, se poate prezenta structura comenzii vehiculului. Acesta este formata dintr-o unitate de control a bateriei, a GMP, a vehiculului, cat si din o unitate ce asigura interfata cu conductorul.

Structura este descompusa functional in trei parti care corespund microprocesoarelor dedicate, fig 1.3.

Aceasta structura ,,3 poli" a fost dezvoltata de constructorul de automobile Renault.

Afisaj conductor

GTB

stare de incarcare limitarea curentului limitarea tensiunii

UCVE

Referinta de cuplu

UCM

Referinta conductor

Fig. 1.3. Arhitectura electro-informatica a vehiculului.

Functiile asigurate sunt urmatoarele:

UCVE - unitatea de control a vehiculului electric (sau supervizor)

Aceasta unitate centralizeaza informatiile privind vehiculul: starea bateriilor si referintele conductorului. Totodata ea distribuie informatiile ca referinta de cuplu aconductorului si afisajul pentru conductor.

Implantarea optimizarii legilor pedalei consta la modificarea programului implementat in acest calculator.

GBT - gestiunea bateriilor de tractiune. Aceasta unitate este dedicata controlului starii bateriei. Ea permite in principal sa furnizeze UCVE-ului starea incarcarii si de a activa limitarile de curent si de tensiune ce asigura protectia bateriei.

UCM - unitatea de control a motorului. Aceasta unitate asigura pilotarea invertorului plecand de la referinta cuplului determinata prin UCVE. Ea gireaza la fel toate limitarile de functionare proprii motorului.

Aceste 3 functii de control sunt asociate organelor fizice: bateria pentru GBT, motorul pentru UCM si vehiculul incluzand conductorul pentru UCVE.

Modelarea prezentata in continuare se refera la UCM si motor; bateria este asimilata cu un generator de tensiune perfect (tensiune constanta) si UCVE la o referinta de cuplu.

5 MODELAREA GRUPULUI MOTOPROPULSOR

Modelarea unitatii de control a motorului (UCM)

Sistemul de tractiune asincron care este furnizat de constructorul Siemens cuprinde UCM. Aceasta unitate se compune functional din 3 parti, fig. 1.4.

Fig. 1.4. Unitatea de control a motorului

Prima parte genereaza referintele de curent de cuplu, i^*_sq (proportional cu cuplul la flux constant), de curent de flux i^*_sd (fluxul rotoric este produs de acest curent si de inductanta de magnetizare in regim permanent) si referinta de flux rotoric φ^*_rd.

Alta functie a acestei parti este de genera diferite limitari, ce vor fi expuse mai tarziu. Perioada de estimare a acestei parti este de 1ms.

A doua perte determina tensiunile care se aplica motorului, pentru ca referintele de curent sa fie respectate; aceasta este comanda vectoriala. Perioada de esantionare a acestei functii este de 83,3 μs.

A treia parte genereaza ordinele de conductie a bratele ondulorului, pentru ca sa fie aplicate pe motor si in medie pe o perioada de MLI (PWM), tensiunile determinate anterior. Perioada de esantionare si simulare pentru aceasta functie este de 0,65 μs pentru o frecventa de MLI de 6 KHz.

Pentru a intelege fiecare din aceste blocuri inainte de toate este necsar a aminti principiile comenzi vectoriale care este realizata pentru sistemul considerat.

6 PRINCIPIILE UNEI COMENZI VECTORIALE: CONSTRUCTIA PLECAND DE LA O STRUCTURA DE BUCLA DESCHISA.

Structura de comanda vectoriala este unic!!! compusa dintr-un termen de polarizare care determina in bucla deschisa tensiunea motorului si frecenta statorica astfel incat curentii sa fie egali cu valorile de referinta.

Acest termen singur, nu permite stapanirea dinamicii curentilor si deci timpul de crestere a cuplului. In plus, el este uniprecis revelat daca anumiti parametri ai motorului sunt rau estimati.

O comanda vectoriala poate fi construita progresiv plecand de la aceasta structura si punand in evidenta rolul fiecarei functii in controlul cuplului.

Termenul de polarizare singur

Ecuatiile masinii sunt exprimate intr-un sistem de referinta rotitor  (d, q), cu axa d aliniata cu fluxul rotoric real.

Expresia tensiunilor statorice:

(2.2)

Expresia fluxului statoric:

(2.3)

Expresia pulsatiilor statorice si staotorice:

(2.4)

(2.5)

Expresia cuplului:

(2.6)

Termenul de polarizare, are ca ca obiect (scop) sa determine componentele U_sD^* si U_sQ^* intr-un reper (D,Q) aliniat pe pozitia estimata a fluxului rotoric, a vectorului tensiune aplicat motorului in functie de referintele de curent (fig. 1.5). Ele sunt obtinute plecand de la ecuatiile (1.1) si (1.2) si facand ipoteza unui regim permanent lent variabil.

(2.7)

(2.8)

(2.9)

(2.10)

(2.11)

=pulsatie mecanica =viteza rotorului in rad/sec;

=pulsatie statorica;

pulsatie rotorica;

estimatia rezonantei rotorice;

estimatia inductantei de magnetizare;

Erorile de estimare a rezistentei statorice nu sunt luate in calcul in acest studiu din 2 ratiuni. Pe de o parte, avand acces la temperatura motorului comanda poate sa o estimeze pe aceasta corect. Pe de alta parte, o eroare de estimare a lui R_s nu are influenta decat la viteze foarte joase.

termen de polarizare

Fig. 2.5 Comanda vectoriala in bucla deschisa.

ω_s este impusa prin comanda si prin urmare si pulsatia rotorica deci,

si (2.12)

Din (2.4) si (2.10) se obtine

(2.13)

Daca se plaseaza in regim permanent, se poate determina comportamentele in reperul (d,q) a vectorului tensiune de aplicat motorului.

(2.14)

Eroarea asupra estimarii rezistentei rotorice si a inductantei de magnetizare aduce o eroare asupra estimarii pozitiei de flux rotoric si asupra tensiunii aplicate motorului.

(2.15)

Se deduce o relatie intre tensiunile exprimate in cele doua repere;

In reperul (d,q) a motorului.

(2.16)

In reperul (D,Q) a comenz

(2.17)

Se obtin finalmente o expresie a erorii de estimare a orientarii

(2.18)

Daca pozitia fluxului rotoric si daca inductanta de magnetizare sunt corect estimate, atunci eroarea asupra cuplului si componentelor curentilor este nula. Aceasta se explica considerand schema electrica a motorului in regim permanent.

Fig. 2.8

Daca b=1, (L_m corect estimat), atunci schema echivalenta este identica pentru comanda si motor. Impedanta din ramura rotorica este aceeasi in motor si in comanda: modificarea pulsatiei rotorice este astfel ca ea corijeaza eroarea de estimare a rezistentei rotorice.

In acest caz:

(2.19)

(2.20)

Daca corectarea pulsatiei rotorice nu poate sa modifice in acelasi timp ramura rotorica si inductivitatea motorului de iesire ca circuitele sa fie echivalente.

Metoda utiliyata pentru corijarea pozitiei referentului de comanda consta in a estima valoarea electrica (de exemplu puterea reactiva) in doua moduri diferite plecand de la masuratori si referinte.

Parametrii L_m si R_r nu trebuie sa apara in modelele utilizate.

Fig. 2.9

7 MODELAREA PARTII MECANICE

Partea mecanica a sistemului este modelata printr-un sistem a carei intrare este cuplul pe arborele motorului pe a carui iesire este viteza rot

Se considera un model numit "sfert de vehicul". Simplificari considerate:

este modelat un singur ax de transmisie a cuplului

eransmisiile la dreapta si la stanga diferentialului sunt identice

eiferentul este presupus infinit rigid.

Se iau in calcul:

inertia si frecarile motorului: de tip uscat si aerodinamic

rigeditatea cuplarii suple (elastice)

frecarile reductorului: de tip uscat, vascoasa, si proportionala cu cuplu

inertia reductorului

rigiditatea transmisiilor la roti

inertia vehiculului (masa totala redusa la o inertie echivalenta a rotilor)

eforturile rezistente de tip uscat, vascos si aerodinamic.

V_i , X_i  reprezinta respecziv viteza si pozitia unghiulara a elementului lantului in punctul considerat.

Se poate determina atunci ecuatiile de stare a sistemului.

(2.21)

(2.22)

(2.23)

(2.24)

(2.25)

Acest sistem de 5 ecuatii si 5 variabile de stare V₀ , X₀-X₁ , V₁ , X₁/N-X_{2 ,} V₂ este neliniar din cauza eforturilor rezistente de tip uscat, aerodinamice si proportionale cu cuplu ce intervin in M_f1,M_f2 si M_f3. Intr-adevar:

M_f1=M_{usc mot}+K_{aer mot}V²₀

M_f2=M_{usc cutie}+K_{vascos cutie}V₁+K_{rez cup} M_{oment cutie}

M_f3=M_{usc roata}+K_{vascos 2}V₂+K_{aer 2} V²₂