В основу алгоритма управления должны быть положены следующие основные принципы: ЭД работает в качестве стартера при пуске ДВС; автомобиль движется на ЭД на малых скоростях; автомобиль движется на ДВС на квазиустановившихся режимах и при разгонах на высоких частотах вращения вала ДВС, при необходимости параллельно идет зарядка аккумуляторных батарей; разгон автомобиля на ДВС и ЭД; рекуперация энергии при торможении, замедлении и режимах принудительного холостого хода, ДВС не работает; на остановках и стоянках ДВС не работает.
Эффективность работы КЭСУ напрямую зависит от разработанного алгоритма управления. Алгоритм управления должен обеспечивать определенные режимы работы автомобиля с КЭСУ (запуск, разгон автомобиля, регулирование скорости движения, торможение), необходимые водителю при управлении автомобилем, также алгоритм управления работой КЭСУ должен обеспечивать необходимое управление работой ЭД в составе КЭСУ (согласование работы ДВС и ЭД) в различных режимах движения автомобиля и т.д.
В зависимости от необходимого режима работы автомобиля водитель управляет КЭСУ при помощи замка зажигания и педали акселератора. При пуске, управление ДВС осуществляется замком зажигания и педалью акселератора. На всех остальных режимах движения автомобиля управление ДВС осуществляется педалью акселератора, чем больше водитель нажимает на педаль акселератора, тем больше топливовоздушной смеси поступает в цилиндры ДВС, тем больше частота вращения коленчатого вала ДВС. При пуске, управление ЭД осуществляется замком зажигания. На всех остальных режимах движения автомобиля управление ЭД осуществляется педалью акселератора. Управление ЭД осуществляется путем подачи соответствующего напряжения и тока в обмотки ЭД, регулирования напряжения и тока в обмотках ЭД, для обеспечения необходимого режима работы ЭД (необходимой частоты вращения и необходимого вращающего момента ЭД).
Математическое описание ЭД постоянного тока в статическом режиме:
Частота вращения n электродвигателя постоянного тока определяется:
об/мин,
где U - напряжение источника питания постоянного тока, В; Iа - ток якоря, А; Rа - сопртивление цепи якоря, Ом; Ф - магнитный поток электродвигателя, Вб; Се - коэффициент, характеризующий магнитную систему или конструктивная постоянная электродвижущей силы.
Вращающий момент M электродвигателя постоянного тока равен:
Н*м,
где СМ - моментная конструктивная постоянная машины.
Выразив из данного соотношения ток якоря и подставив полученное значение в формулу частоты вращения, получим следующее выражение:
, (1)
Из формулы (1) видно, что частоту вращения электродвигателя постоянного тока можно регулировать тремя способами: изменением потока (тока) возбуждения электродвигателя, изменением подводимого к электродвигателю напряжения и изменением сопротивления в цепи якоря.
Математическую модель электродвигателя постоянного тока в динамическом режиме при регулировании напряжения питания или потока возбуждения можно представить в виде:
,
где Мн - момент нагрузки, Н*м; J - суммарный момент инерции якоря и нагрузки, кг*м2; dщ/dt - первая производная угловой скорости или угловое ускорение; Nв - число витков обмотки возбуждения; Rв - активное сопротивление обмотки возбуждения, Ом; Iв - ток обмотки возбуждения, А; Uв - напряжение обмотки возбуждения, В; Lа - индуктивность якоря, Гн.
Были проведены расчетные исследования, в результате которых были получены расчетные механические характеристики применяемого ЭД ПТ-125-12: зависимости напряжения питания Uэд и тока возбуждения Iэд для получения вращающего момента на выходном валу от частоты вращения вала ЭД (рис. 1).
На начальном этапе работы ЭД, когда его вращающий момент остается постоянным, необходимо осуществлять плавную регулировку (повышение) напряжения питания при постоянном токе возбуждения. Затем при постоянном максимальном напряжении питания необходимо уменьшать по определенному закону ток возбуждения, для получения нулевого момента при максимальной частоте вращения вала ЭД равной 863,5 рад/с (8224 об/мин). Если в любой момент остановить на каком то уровне или не изменять по определенному закону ток возбуждения, то ЭД перейдет на частичную характеристику, при которой выходной момент будет уменьшаться быстрее и будет равен нулю при меньшей частоте вращения, чем 863,5 рад/с (8224 об/мин). Такие характеристики ЭД изображены штрих-пунктирными линиями на рис. 1.
Рисунок 1. Расчетное семейство нагрузочных характеристик ЭД ПТ-125-12
Нажимая на педаль акселератора, водитель желает получить нужную ему равномерную (постоянную) скорость движения автомобиля. Мощность сопротивления автомобилю с КЭСУ Nсопр, при движений с установившейся (равномерной) скоростью по горизонтальной дороге с асфальтобетонным покрытием равна:
,
где Nf - мощность, необходимая для преодоления силы сопротивления качению при движении автомобиля с установившейся (равномерной) скоростью по горизонтальной дороге с асфальтобетонным покрытием, кВт; Nw - мощность, необходимая для преодоления силы сопротивления воздуха при движении автомобиля с установившейся (равномерной) скоростью, кВт; зтр - коэффициент полезного действия трансмиссии зтр = 0,79.
,
где f - коэффициент сопротивления качению; G - полный вес автомобиля, Н.
,
где Fw - площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную к его продольной оси (лобовая площадь автомобиля), м2; Кw - коэффициент сопротивления воздуха, зависящий от формы автомобиля, качества отделки его поверхности и атмосферных условий, кг/м3.
Были проведены расчетные исследования, в результате которых были получены зависимости мощности сопротивления автомобилю с КЭСУ Nсопр или мощности ДВС, положения педали акселератора или нагрузки от установившейся (равномерной) скорости движения автомобиля по горизонтальной дороге с асфальтобетонным покрытием (рис. 2).
Рисунок 2. Зависимость нагрузки, мощности сопротивления движению автомобиля с КЭСУ от его равномерной скорости движения
Обозначения на рис. 2 следующие: Н - нагрузка или положение педали акселератора, %; Nсопр - мощность сопротивления движению автомобиля с КЭСУ при его движений с установившейся (равномерной) скоростью по горизонтальной дороге с асфальтобетонным покрытием, кВт; V - равномерная скорость движения автомобиля, км/ч; 1 - расчетно-экспериментальная зависимость мощности сопротивления движению автомобиля с КЭСУ от его равномерной скорости движения; 2 - зависимость мощности сопротивления, которая учитывает возрастание с течением времени эксплуатации автомобиля с КЭСУ сопротивления движению и ухудшение рабочих характеристик ДВС (принимается ухудшение характеристик ДВС и возрастание потерь на 10 %); D - зона определяющая множество реальных характеристик между характеристиками 1 и 2, которые могут применяться для управления (отключения) ЭД; 3 - реальная характеристика, реализованная в разработанной системе управления КЭСУ, которая в зависимости от положения педали акселератора и скорости автомобиля обеспечивает необходимые водителю режимы работы автомобиля с КЭСУ.
Расчетно-экспериментальная зависимость 1 на рис. 2 была получена из расчетной зависимости мощности сопротивления движению автомобиля от равномерной скорости после корректировки расчетного значения Nf на стенде с беговыми барабанами.
Мощность сопротивления автомобилю с КЭСУ Nсопр равна мощности ДВС, при условии движения автомобиля с КЭСУ с установившейся (равномерной) скоростью.
Рассмотрим частный случай (рис. 2), когда водитель нажимает на педаль акселератора, например, на 50 %. В этом случае ДВС и ЭД разгоняют автомобиль и при достижений скорости 77 км/ч, соответствующей заданному водителем положению педали акселератора (согласно кривой 3 на рис. 2), ЭД переходит в такой режим работы, при котором он не создает вращающего момента или переходит в генераторный режим для зарядки накопителя энергии. Автомобиль будет двигаться с равномерной скоростью за счет работы только ДВС, мощность ДВС при этом равна 11,5 кВт. Следовательно, зависимость мощности сопротивления движению автомобиля с КЭСУ от его равномерной скорости движения под номером 3 на рис. 2 характеризует переход ЭД из двигательного режима в генераторный и наоборот.
Можно сделать следующий вывод, что для каждого выбранного положения педали акселератора соответствует определенная равномерная скорость движения автомобиля (рис. 2). Если скорость автомобиля будет ниже определенной для заданного положения педали акселератора, ЭД работает в тяговом режиме; если скорость автомобиля будет выше определенной для заданного положения педали акселератора, ЭД начинает работать в режиме генератора.
Разработан следующий алгоритм управления работой КЭСУ автомобиля:
1. Запуск и холостой ход. ЭД через согласующий редуктор запускает ДВС. ДВС выходит на режим холостого хода (800-900 об/мин), а ЭД начинает работать в таком режиме, когда он не потребляет электрической энергии от накопителя и не создает вращающего момента на выходном валу, т.е. находится на границе перехода в генераторный или двигательный режимы работы. Если частота вращения коленчатого вала возрастет, ЭД перейдет в генераторный режим и начнет отдавать энергию в накопитель, тормозя ДВС.
2. Начало движения (трогание с места) и разгон. Нажимая на педаль акселератора, водитель желает получить нужную ему скорость движения автомобиля. Так как скорость автомобиля будет ниже для данного положения педали акселератора, то в этот период передается суммарный вращающий момент на ведущие колеса автомобиля от ДВС и ЭД для достижения нужной скорости. При этом ЭД питается только от накопителя электрической энергии. При скорости движения автомобиля, соответствующей заданному водителем положению педали акселератора или близкой к ней, определяемой мощностью ДВС и сопротивлением движению, ЭД переходит в такой режим работы, при котором он не создает вращающего момента или переходит в генераторный режим для зарядки накопителя энергии.
3. Условия, создающие дополнительную силу сопротивления движению. Движение на подъем, при встречном ветре или других условиях, создающих дополнительную силу сопротивления движению, когда скорость автомобиля будет ниже скорости необходимой водителю для этого положения педали акселератора ДВС и ЭД работают в тяговом режиме.
4. Условия, уменьшающие силы сопротивления качению. Движение на спуске, при попутном ветре или других условиях, уменьшающих силы сопротивления качению, когда скорость автомобиля будет выше определенной для заданного положения педали акселератора, ЭД начинает работать в режиме генератора.
5. Принудительный холостой ход. ЭД работает в режиме генератора при снижении скорости автомобиля в момент, когда водитель не нажимает или уменьшает воздействие на педаль акселератора с включенным сцеплением, т.е. на режимах принудительного холостого хода (замедление-торможение). Так осуществляется процесс рекуперации электрической энергии.
Система управления электромеханическим приводом, реализованная в электрической схеме (рис. 3), обеспечивает выполнение разработанного алгоритма, при этом моделируются реальные условия движения гибридного легкового автомобиля. В качестве определяющих параметров взяты: частота вращения выходного вала комбинированной энергетической установки, значение положения педали акселератора и скорость движения автомобиля.
Рисунок 3. Электрическая схема системы управления комбинированной энергосиловой установкой легкового автомобиля
Основные обозначения на рис. 3 следующие: М - тяговый электрический двигатель ЭД с обмоткой возбуждения ОВ; АБ 1-АБ 8 - тяговые аккумуляторные батареи; БУ - блок управления возбуждением; ЛБ - логический блок, управляющий режимами работы ЭД; ДО - датчик частоты вращения ротора ЭД; ДД - датчик положения дроссельной заслонки; ДС - датчик скорости; РС - реле скорости движения.
Система управления осуществляет логическое управление силовыми контакторами, подключающими ЭД к тяговым аккумуляторным батареям. В соответствии с разработанной логикой контакторы могут включаться либо при нажатой педали акселератора, либо после достижения автомобилем определенной скорости движения. В разработанной системе управления регулирование ЭД осуществляется путем ступенчатого изменения напряжения питания: на ЭД подается напряжение питания, равное 48 В, ЭД разгоняется до частоты вращения вала 177,9 рад/с (1694 об/мин) при введении в цепь якоря резистора сопротивлением 0,13 Ом и соответствующем регулировании тока возбуждения; на ЭД подается напряжение питания, равное 96 В, ЭД разгоняется, и при номинальной частоте вращения 261,7 рад/с (2492 об/мин) происходит шунтирование резистора в цепи якоря и осуществляется регулирование частоты вращения вверх от номинальной. При частоте вращения вала, равной 4200 об/мин, ЭД переводится из тягового режима в генераторный для подзарядки накопителей электрической энергии, т.к. количество энергии, подводимой от ЭД, резко уменьшается при работе ЭД на более высоких частотах вращения вала.
Система управления электромеханическим приводом обеспечивает следующие характерные режимы работы автомобиля с КЭСУ: заряд тяговых аккумуляторных батарей; пуск ДВС и работа на холостом ходу; начало движения (трогание с места) и разгон; движение с установившейся скоростью; условия, создающие дополнительную силу сопротивления движению; условия, уменьшающие силы сопротивления качению; движение в режиме принудительного холостого хода; движение накатом.