Система управления тяговым электроприводом автомобиля

Система управления тяговым электроприводом автомобиля

автомобиль электропривод тяговой датчик Актуальность разработки тягового электропривода гибридного автомобиля заключается в более правильном использовании энергии, в повышении экологичности автомобиля и в более экономичном обслуживании автомобиля, за счет уменьшения расхода топлива. Он обеспечивает необходимую мощность, тяговую силу, необходимую скорость движения автомобиля при различных условиях движения.

Научная новизна.

Научная новизна заключается в отсутствии необходимости устанавливать двигатель из расчёта пиковых нагрузок эксплуатации. В момент, когда необходимо резкое усиление тяговой нагрузки, в работу включаются одновременно как электродвигатель, так и обычный двигатель (а в некоторых моделях и дополнительный электродвигатель). Это позволяет сэкономить на установке менее мощного двигателя внутреннего сгорания, работающего основное время в наиболее благоприятном для себя режиме. Такое равномерное перераспределение и накопление мощности, с последующим быстрым использованием, позволяет использовать гибридные установки в автомобилях спортивного класса и внедорожниках.

Практическая значимость.

Практическая значимость заключается в том, что экономится минеральное топливо (не восполняемый ресурс), уменьшается загрязнение окружающей среды, экономится очень ценный ресурс для человека, такой как время (исключение половины заездов на заправочные станции).

1. Исходные данные и постановка задачи

Основной задачей системы управления силовой установкой гибридного автомобиля является обеспечение наиболее экономичного и экологически безопасного режима работы ДВС за счет перераспределения нагрузки между ДВС, вспомогательным двигателем и контуром рекуперации энергии.

Дополнительными задачами системы являются:

1) Обеспечение рекуперации энергии торможения автомобиля.

2) Обеспечение необходимой разгонной динамики автомобиля за счет использования вспомогательной силовой установки и накопителя энергии.

3) Обеспечение режима старт — стоп с минимальным периодом холостого хода ДВС в случае кратковременной остановки автомобиля.

Исходные данные.

Взят автомобиль Volkswagen Touareg

Ниже на рисунках (рис. 1 и рис. 2) приведены его технические характеристики, которые будут являться исходными данными к моей работе и его внешний вид.

Рис. 1 Исходные данные Рис. 2 Внешний вид Volkswagen Touareg

1.1 Классификация существующих систем

Для того чтобы изучить тяговый электропривод гибридного автомобиля, нужно определиться, какую из трех существующих схем выбрать. Это классификация по способу взаимодействия ДВС и электромотора.

Последовательная схема.

Это — самая простая гибридная конфигурация. ДВС используется только для привода генератора, а вырабатываемая последним электроэнергия заряжает аккумуляторную батарею и питает электродвигатель, который и вращает ведущие колеса.

Это избавляет от необходимости в коробке передач и сцеплении. Для подзарядки аккумулятора также используется рекуперативное торможение. Свое название схема получила потому, что поток мощности поступает на ведущие колеса, проходя ряд последовательных преобразований. От механической энергии, вырабатываемой ДВС в электрическую, вырабатываемую генератором, и опять в механическую. При этом часть энергии неизбежно теряется. Последовательный гибрид позволяет использовать ДВС малой мощности, причем он постоянно работает в диапазоне максимального КПД, или же его можно совсем отключить. При отключении ДВС электродвигатель и батарея в состоянии обеспечить необходимую мощность для движения. Поэтому они, в отличие от ДВС, должны быть более мощными, а, значит, они имеют и большую стоимость. Наиболее эффективна последовательная схема при движении в режиме частых остановок, торможений и ускорений, движении на низкой скорости, т. е. в городе. Поэтому используют ее в городских автобусах и других видах городского транспорта. По такому принципу работают также большие карьерные самосвалы, где необходимо передать большой крутящий момент на колеса, и не требуются высокие скорости движения.

Параллельная схема Здесь ведущие колеса приводятся в движение и ДВС, и электродвигателем (который должен быть обратимым, т. е. может работать в качестве генератора). Для их согласованной параллельной работы используется компьютерное управление. При этом сохраняется необходимость в обычной трансмиссии, и двигателю приходится работать в неэффективных переходных режимах.

Момент, поступающий от двух источников, распределяется в зависимости от условий движения: в переходных режимах (старт, ускорение) в помощь ДВС подключается электродвигатель, а в устоявшихся режимах и при торможении он работает как генератор, заряжая аккумулятор. Таким образом, в параллельных гибридах большую часть времени работает ДВС, а электродвигатель используется для помощи ему. Поэтому параллельные гибриды могут использовать меньшую аккумуляторную батарею, по сравнению с последовательными. Так как ДВС непосредственно связан с колесами, то и потери мощности значительно меньше, чем в последовательном гибриде. Подобная конструкция достаточно проста, но ее недостатком является то, что обратимая машина параллельного гибрида не может одновременно приводить в движение колеса и заряжать батарею. Параллельные гибриды эффективны на шоссе, но малоэффективны в городе. Несмотря на простоту реализации этой схемы, она не позволяет значительно улучшить как экологические параметры, так и эффективность использования ДВС.

Приверженцем такой схемы гибридов является компания «Хонда». Их гибридная система получила название Integrated Motor Assist (Интегрированный помощник двигателя). Она предусматривает, прежде всего, создание бензинового двигателя с увеличенным к.п.д. И только тогда, когда двигателю становится трудно, на помощь ему должен приходить электрический мотор. В этом случае система не требует сложного и дорогостоящего силового блока управления, и, следовательно, себестоимость такого автомобиля оказывается ниже. Система IMA состоит из бензинового двигателя (который предоставляет основной ресурс мощности), электромотора, который предоставляет дополнительную мощность и дополнительной батареи для электромотора. Когда автомобиль с обычным бензиновым двигателем замедляется, его кинетическая энергия гасится сопротивлением мотора (торможение двигателем) или рассеивается в виде тепла при нагреве тормозных дисков и барабанов. Автомобиль с системой IMA начинает тормозить электромотором. Таким образом, электромотор работает как генератор, вырабатывая электричество. Сохранённая при торможении энергия запасается в батарее. И когда автомобиль вновь начнёт ускоряться, батарея отдаст всю накопленную энергию на раскрутку электромотора, который снова перейдёт на свои тяговые функции. А расход бензина уменьшится ровно настолько, сколько энергии было запасено при предыдущих торможениях. В общем, в компании Honda считают, что гибридная система должна быть максимально простой, электрический мотор выполняет лишь одну функцию — помогает двигателю внутреннего сгорания сэкономить как можно больше горючего. Honda выпускает две гибридные модели: Insight и Civic.

Последовательно — параллельная схема Компания «Тойота» при создании гибридов пошла своим путем. Разработанная японскими инженерами система Hybrid Synergy Drive (HSD) объединяет в себе особенности двух предыдущих типов. В схему параллельного гибрида добавляется отдельный генератор и делитель мощности (планетарный механизм). В результате гибрид приобретает черты последовательного гибрида: автомобиль трогается и движется на малых скоростях только на электротяге. На высоких скоростях и при движении с постоянной скоростью подключается ДВС. При высоких нагрузках (ускорение, движение в гору и т. п.) электродвигатель дополнительно подпитывается от аккумулятора — т. е. гибрид работает как параллельный.

Благодаря наличию отдельного генератора, заряжающего батарею, электродвигатель используется только для привода колес и при рекуперативном торможении. Планетарный механизм передает часть мощности ДВС на колеса, а остальную часть на генератор, который либо питает электродвигатель, либо заряжает батарею. Компьютерная система постоянно регулирует подачу мощности от обоих источников энергии для оптимальной эксплуатации при любых условиях движения. В этом типе гибрида большую часть времени работает электродвигатель, а ДВС используется только в наиболее эффективных режимах. Поэтому его мощность может быть ниже, чем в параллельном гибриде.

Важной особенностью ДВС также является то, что он работает по циклу Аткинсона, а не по циклу Отто, как обычные двигатели. Если работа двигателя организована по циклу Отто, то на такте впуска поршень, двигаясь вниз, создает в цилиндре разрежение, благодаря которому происходит всасывание в него воздуха и топлива. При этом в режиме малых оборотов, когда дроссельная заслонка почти закрыта, появляются так наз. насосные потери. (Чтобы лучше понять, что это такое, попробуйте, например, втянуть воздух через зажатые ноздри). Кроме того, при этом ухудшается наполнение цилиндров свежим зарядом и соответственно повышается расход топлива и выбросы вредных веществ в атмосферу. Когда поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ), впускной клапан закрывается. В ходе такта выпуска, когда открывается выпускной клапан, отработанные газы еще находятся под давлением, и их энергия безвозвратно теряется — это так наз. потери выпуска.

В двигателе Аткинсона на такте впуска впускной клапан закрывается не вблизи НМТ, а значительно позже. Это дает целый ряд преимуществ. Во-первых, снижаются насосные потери, т.к. часть смеси, когда поршень прошел НМТ и начал движение вверх, выталкивается назад во впускной коллектор (и используется затем в другом цилиндре), что снижает в нем разрежение. Горючая смесь, выталкиваемая из цилиндра, также уносит с собой часть тепла с его стенок. Так как длительность такта сжатия по отношению к такту рабочего хода уменьшается, то двигатель работает по так наз. циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработанных газов используется более длительное время, т. е., с уменьшением потерь выпуска. Таким образом, получаем лучшие экологические показатели, экономичность и больший КПД, но меньшую мощность. Но в том-то и суть, что мотор тойотовского гибрида функционирует в малонагруженных режимах, при которых этот недостаток цикла Аткинсона не играет большой роли.

К недостаткам последовательно — параллельного гибрида следует отнести более высокую стоимость, в виду того, что он нуждается в отдельном генераторе, большем блоке батарей, и более производительной и сложной компьютерной системе управления.

Система HSD установливается на хэтчбеке Toyota Prius, седане бизнес-класса Camry, вседорожниках Lexus RX400h, Toyota Highlander Hybrid, Harrier Hybrid, спортивном седане Lexus GS 450h и автомобиле люкс-класса — Lexus LS 600h. Ноу-хау компании Тойота куплено компаниями Форд и Ниссан и использовано при создании Ford Escape Hybrid и Nissan Altima Hybrid. Toyota Prius лидирует по продажам среди всех гибридов. Расход бензина в городе составляет 4 л на 100 км пробега. Это первый автомобиль, у которого потребление топлива при движении в городе меньше, чем на шоссе. На Парижском автосалоне 2008 была представлена модель Приус plug-in hybrid.

1.2 Схемы системы управления тяговым электроприводом автомобиля

Легенда входных и выходных сигналов

a вкл/выкл. электродвигателягенератора

b сигнал нажатия педали тормоза

c сигнал нажатия электронной педали акселератора

d частота вращения двигателя

e температура двигателя

f приведение в действие разделительного сцепления ДВС/электродвигателягенератора

g частота вращения электродвигателягенератора

h температура электродвигателягенератора

i частота вращения АКП

k распознавание включенной передачи

l температура гидравлической системы АКП

m гидравлический насос сцепления, давление в гидравлической системеАКП, переключение передач

n температура силового электронного модуля

o контроль кабелей высоковольтной системы

p температура высоковольтной батареи

q контроль напряжения

r давление в гидравлическом приводе тормозной системы, тормозное давление

s регистрация частоты вращения колеса

t распознавание пристёгивания ремня безопасности Легенда к электрическим компонентам

A38 Высоковольтная батарея

J623 Блок управления двигателя

J217 Блок управления АКП

JX1 Силовой модуль и блок упра вления электрического привода

SX1 Коммутационный блок (EBox)

J104 Блок управления ABS

J285 Блок управления комбинации приборов

J533 Диагностический интерфейс шин данных

J234 Блок управления подушек безопасности Радионавигационная система RNS 850

Описание работы:

1. Начало движения. Движение с малой нагрузкой, небольшой скоростью ли под небольшой уклон. Поскольку ДВС имеет низкий КПД при малых нагрузках, движение обеспечивается за счет вспомогательного двигателя, если запас энергии в накопителе достаточный. В противном случае движение осуществляется с использованием ДВС.

2. Равномерно движение. Система обеспечивает наиболее эфективный режим работы ДВС. В случае если вращающий момент ДВС меньше момента сопротивления, недостающая мощность обеспечивается за счет подключения вспомогательного двигателя. Если оптимальный вращающий момент больше момента сопротивления, избыток мощности отводится контуром рекуперации энергии.

3. Разгон. Необходимая разгонная динамика обеспечивается в основном за счет вспомогательного двигателя при поддержании наиболее экономичного режима основного ДВС. При недостаточном запасе энергии в накопителе или недостатке мощности вспомогательного двигателя дополнительная мощность обеспечивается основным ДВС.

4. Торможение. Излишек кинетической энергии транспортного средства утилизируется в контуре рекуперации. При недостаточной эффективности рекуперативного торможения подключается система гидравлического торможения.

5. При остановке и наличия энергии в накопителе, достаточной для трогания, ДВС отключается. Если запасенной энергии недостаточно. ДВС продолжает работать до ее необходимого пополнения.

A38 Высоковольтная батарея

JX1 Силовой модуль и блок управления электрического привода

J840 Блок управления высоковольтной батареи

SX1 Коммутационный блок (EBox)

TV44 Предохранительное устройство 1

TW Сервисный разъём высоковольтной системы

V457 Вентилятор 1 АКБ гибридного привода

V458 Вентилятор 2 АКБ гибридного привода Электродвигатель-генератор.

Ключевым элементом гибридного привода является электродвигатель-генератор.

В системе гибридного привода он берет на себя выполнение трёх важнейших задач:

1. Стартер для двигателя внутреннего сгорания,

2. Генератор для зарядки высоковольтной батареи,

3. Тяговый электродвигатель для движения автомобиля.

Ротор вращается внутри статора бесконтактно. В режиме генератора мощность электродвигателя генератора составляет 38 кВт. В режиме тягового электродвигателя электродвигатель-генератор развивает мощность 34 кВт. Разница приходится на мощность потерь, которая конструктивно присуща каждой электромашине. Движение только на электрической тяге по ровной поверхности для Touareg с гибридным двигателем возможно до скорости примерно 50 км/ч. Максимальная скорость движения зависит от сопротивления движению и степен и зарядки высоковольтной батареи. Специальное сцепление K0 располагается в корпусе электродвигателя-генератора.

Электродвигатель-генератор размещён между двигателем внутреннего сгорания и АКП.

Он представляет собой синхронный двигатель трехфазного тока. С помощью силового электронного модуля постоянное напряжение 288 В преобразуется в трёхфазное переменное напряжение. Три фазы напряжение создают в электродвигателе-генераторе трёхфазное электромагнитное поле.

В сервисной документации электродвигательгенератор обозначается как «тяговый электродвигатель для электрического привода V141».

1.3 Датчики, входящие в систему

Датчик положения ротора.

Поскольку двигатель внутреннего сгорания, с его датчиками частоты вращения, в режиме электрического привода механически отсоединён от электродвигателя-генератора, то последнему требуются собственные датчики для определения положения и частоты вращения ротора. Для этих целей в электродвигатель-генератор интегрировано три датчика частоты вращения.

К ним относятся:

датчик 1 положения ротора тягового электродвигателя G713

датчик 2 положения ротора тягового электродвигателя G714

датчик 3 положения ротора тягового электродвигателя G715

Датчик положения ротора (ДПР) — деталь электродвигателя.

В коллекторных электродвигателях датчиком положения ротора является щёточно-коллекторный узел, он же является и коммутатором тока.

В бесколлекторных электродвигателях датчик положения ротора может быть разных видов:

Магнитоиндукционный (т.е. в качестве датчика используются собственно силовые катушки, но иногда используются дополнительные обмотки) Магнитоэлектрический (датчики на эффекте Холла) Оптоэлектрический (на различных оптопарах: светодиод-фотодиод, светодиод-фототранзистор, светодиод-фототиристор).

Датчик температуры тягового электродвигателя G712

Этот датчик интегрирован в корпус электродвигателягенератора и залит полимером.

Датчик регистрирует температуру электродвигателя генератора. Контуры циркуляции охлаждающей жидкости являются составной частью инновационной системы регулирования температуры. Сигнал датчика температуры тягового электродвигателя используется для управления производительностью охлаждения высокотемпературного контура циркуляции охлаждающей жидкости. С помощью электрического насоса системы охлаждения и управляемого насоса системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания можно управлять всеми режимами работы системы охлаждения, начиная с режима отсутствия циркуляции ОЖ в контурах охлаждения, и заканчивая режимом максимальной производительности системы охлаждения.

В зависимости от материалов используемых для производства терморезистивных датчиков различают:

1. Резистивные детекторы температуры (РДТ). Эти датчики состоят из металла, чаще всего платины. В принципе, любой мета изменяет свое сопротивление при воздействии температуры, но используют платину так как она обладает долговременной стабильностью, прочностью и воспроизводимостью характеристик. Для измерений температур более 600 °C может использоваться также вольфрам. Минусом этих датчиков является высокая стоимость и нелинейность характеристик.

2. Кремневые резистивные датчики. Преимущества этих датчиков — хорошая линейность и высокая долговременная стабильностью. Также эти датчики могут встраиваться прямо в микроструктуры.

3. Термисторы. Эти датчики изготавливаются из металл-оксидных соединений. Датчики измеряет только абсолютную температуру. Существенным недостатком термисторов является необходимость их калибровки и большой нелинейностью, а также старение, однако при проведении всех необходимых настроек могут использоваться для прецизионных измерений.

2. Диагностика

2.1 Тестер диагностический

VAG DASH CAN 5.17 стоимость 16 500 рублей.

Функциональные возможности:

Калибровка и корректировка одометра;

Добавление ключей к автомобилю, даже если у вас нет всех существующий ключей Производит адаптацию ключа Чтение login / секретные коды (SKC)

Запись иденфикационного номера и номера иммобилайзера Загружает и сохраняет расшифрованный блок иммобилайзера Сохраняет (клонирует) панель приборов с помощью записи блока иммобилайзера от файла Считывает и удаляет коды ошибок CAN-ECU

Использование:

Кнопки:

VW / SEAT / SKODA — нажмите данную кнопку чтобы прочитать VDO последнего поколения. (Для примера подойдет для GOLF V c 2003 по 06.2006. Некоторые версии автомобилей SEAT и Skoda оснащены комбинациями данного типа на моделях до 2009 года)

PASSAT — нажмите данную кнопку, чтобы прочитать Passat B6. (В этих автомобилях Вы не можете получить информацию иммобилайзера из комбинации приборов, так как блок иммобилайзера является частью модуля)

AUDI A3 — нажмите данную кнопку, чтобы прочитать AUDI A3 VDO комбинацию.

AUDI A4 — нажмите данную кнопку, чтобы прочитать AUDI A4 BOSCHRB4.

PHAETON/TOUAREG — нажмите данную кнопку, чтобы прочитать Phaeton и Touareg BOSCHRB4.

BOSCH EDC15 — дизельные автомобили с 1999. Поддерживает большинство автомобилей ВАГ группы

SEAT и SKODA — оборудовали свои автомобили ECU.

BOSCH EDC16 — используется на автомобилях с дизелем с 2002 года. Используется на автомобилях последних поколений

ME7.* /MED9.5 — Двигатель типа BOSCHME7.* используется на автомобилях таких как GolfI V или Audi TT. Вы можете прочитать следующие двигатели: ME7.5, ME7.1, ME7.5.1, ME7.1.1.

ECUME7.1.1 Golf пока не поддерживается

ME7 CHANNELS — Нажав данную кнопку Вы адаптируете EEprom блока управления двигателем BOSCHME7.

IMMOBILISER BOXES — Нажав данную кнопку Вы можете считывать регистрационный код из иммобилайзера. Подходит для Audi A4 с 12 pin разъемом и коробки LT. Так же Вы можете считывать коробки с 1994 по 1998 год, но только тогда когда адаптированный ключ вставлен в зажигание.

2.2 Диагностическая информация

Самодиагностика системы.

При возникновении неисправности в высоковольтной системе загорается контрольная лампа. Символ контрольной лампы может быть оранжевого, красного или чёрного цвета. В зависимости от вида неисправности в высоковольтной системе отображается символ соответствующего цвета и предупреждающее сообщение.

Заключение

В моей работе рассмотрена система управления тяговым электроприводом гибридного автомобиля. Так же рассмотрены все существующие системы, все схемные решения, рассмотрены датчики входящие в систему. Рассмотрена самодиагностика системы и диагностирование при помощи внешнего прибора (тестера). Работа выполнена в полном объеме.

1. Ютт В. Е. Электрооборудование автомобилей: Учебник для студентов вузов. — М.: Транспорт, 1995. — 304 c.

2. Краткий автомобильный справочник. — М.: Трансконсалтинг, НИИАТ, 1994 — 779 с. 25 экз.

3. Акимов С. В., Чижков Ю. П. Электрооборудование автомобилей — М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2001. — 384 с. 25 экз.

4. Акимов С. В., Боровских Ю. И., Чижков Ю. П. Электрическое и электронное оборудование автомобилей — М.: Машиностроение, 1988. — 280 с.

5. Резник А. М., Орлов В. М. Электрооборудование автомобилей. — М.: Транспорт, 1983. — 248 с.

6. Service Training Программа самообучения 450 Touareg с гибридным силовым агрегатом.