Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Výzkum systémů pro rozvoj elektromobility

SP2013/118

Šimoník Petr doc. Ing., Ph.D.

01. 01. 2013 - 31. 12. 2013

Pro zóny s extrémními nároky na kvalitu životního prostředí, např. lázeňské zóny, centra měst apod., je v současnosti jako dopravní prostředek nejlepším řešením elektromobil. Společným rysem všech dosud známých a používaných koncepcí elektromobilů je využití elektrického motoru pro přenos trakčního výkonu na kola vozidla. Elektrický pohon vozidla představuje v současné době asynchronní nebo synchronní motor napájeným z měniče frekvence. Konstrukčním prvkem elektromobilu, který kriticky limituje jeho provozní vlastnosti, je zdroj napětí v meziobvodu měniče frekvence, který je realizován pomocí akumulátorových baterií. Cena baterií nepříznivě ovlivňuje cenu elektromobilu a tedy jeho konkurenceschopnost. Technologický výzkum a vývoj v oblasti akumulátorových baterií přinesl výrazné zvýšení jejich kapacity, prodloužení životnosti, snížení jejich velikosti a hmotnosti. Moderní technologie umožnily zdokonalení řízení dobíjení a vyšší rychlost obnovení kapacity baterií. V neposlední řadě je technologický pokrok pomocníkem pro snižování cen baterií [1]. V Evropské unii vzniklo v uplynulých letech několik iniciativ, jejichž cílem je snížit ekologickou zátěž životního prostředí. Jednou z těchto iniciativ je i podpora využití elektrické energie pro pohonné jednotky trakčních vozidel [1]. Na tyto výzvy nereagují jen energetické firmy, nebo výrobci automobilů. Velmi důležitou roli sehrávají také další privátní subjekty, ať již zavedené firmy nebo nově vzniklé společnosti, které investují značné finanční prostředky do rozvoje baterií, elektromobilů a dalších souvisejících technologií. Od těchto investic lze očekávat zdokonalování technologií a následnou sériovou produkci, která povede ke snížení cen v dané oblasti [1]. Elektromobily mají ve srovnání s automobily vybavenými klasickým spalovacím motorem několik významných výhod. Jsou to zejména: velmi nízké přímé emise, nižší hlučnost, nižší provozní náklady, nižší náklady na údržbu [1]. Důležitou částí elektromobilů jsou asistenční podvozkové systémy. Bezpečnostní asistenční systémy podvozku (např. ABS, ASR, ASP, MSR, EDS) u vozidel s konvenčním pohonem (spalovací motor) jsou v současné době u mnoha vozidel součástí základní výbavy. Jedná se o nepostradatelné systémy zajišťující bezpočnost a jízdní komfort při různých jízdních režimech. Řídicí jednotka těchto systémů aktivně ovlivňuje krouticí moment spalovacího motoru a dále je schopna s využitím patřičných akčních členů realizovat brzdný účinek ve spolupráci s modifikovanou brzdovou soustavou. Pro oblast elektromobility není možné tyto poměrně složité regulační a řídicí principy jednoduše převzít. Elektroponon se vyznačuje zejména zcela odlišným průběhem krouticího momentu a samožřejmě odlišnou říditelností. K vývoji obdobných systémů je tedy nutné přistupovat zcela odlišně. Rozvoj polovodičové základny a mikroprocesorové techniky, umožňuje technickou realizaci moderních způsobů řízení střídavých regulovaných pohonů, důsledkem čehož je možnost nasazení těchto pohonů i ve vysoce dynamicky náročných aplikacích, mezi které patří také elektromobily. Ve střídavých elektrických pohonech se nejčastěji používají asynchronní motory (AM) nebo synchronní motory s permanentními magnety (SMPM). Nasazení AM a SMPM ve vysoce dynamických pohonech, trakčních pohonech a dalších náročných aplikacích umožnila technická realizace moderních způsobů řízení, mezi které patří také metoda vektorového řízení AM [2]. Do skupiny střídavých pohonů patří i spínané reluktanční motory (SRM), které se vyznačují především svou jednoduchou konstrukcí, nízkou cenou a vysokou účinností. I přes uvedené výhody SRM a rychle se rozvíjející polovodičovou a mikroprocesorovou techniku, je ale počet komerčně vyráběných produktů se SRM stále velmi nízký a do dnešního dne neexistuje univerzální způsob návrhu pohonu se SRM a jeho řízení pro širší oblast aplikací. Nalezení takovéhoto způsobu je v současné době snahou mnoha světových laboratoří a vědeckých pracovišť o čemž svědčí počet publikací posledních let [3]. Značné úsilí je věnováno problematice zavedení střídavých pohonů bez snímače rychlosti, resp. polohy rotoru stroje. Tyto pohony jsou označovány jako bezsenzorové vzhledem k snímači rychlosti, resp. polohy rotoru. Eliminací senzoru rychlosti dochází ke snížení složitosti celkového hardware, nárůstu mechanické robustnosti a odolnosti celého pohonu. To vše se odráží v konečné ceně celého pohonu. Bezsnímačové řízení asynchronního motoru je tedy řízení, u kterého není použit snímač magnetického toku ani snímač mechanické úhlové rychlosti. Základní úlohou je tedy výpočet polohy vektoru statorového nebo rotorového magnetického toku a mechanické úhlové rychlosti ze znalosti statorových proudů a napětí [4], [5], [6], [7]. Moderní koncepce řídicích systémů umožňují realizaci časově náročných řídicích algoritmů v reálném čase, např. metody „Hardware in the Loop Simulation“, u kterých je řízený elektrický pohon nahrazen komplexním počítačovým modelem. Pro zpracování analogových signálů ze snímačů napětí a proudů se používají elektronické obvody s operačními zesilovači. Mezi perspektivní elektronické prvky patří konvejory, které vykazují lepší kmitočtové vlastnosti, než klasické operační zesilovače. Obvody s těmito aktivními prvky dovolují rozšířit kmitočtové spektrum zpracovávaných signálů, zlepšují šumovou odolnost a dynamiku obvodů a v neposlední řadě jsou také schopny pracovat při nižším napětí a odběru, což je v současné době velmi důležitý faktor především u obvodů pro mobilní zařízení s bateriovým napájením [8]. Hlavním cílem projektu je výzkum prostředků a možných metod řízení pro realizaci bezsensorových pohonných jednotek a bezpečnostních asistenčních systémů elektromobilů. Zejména se jedná o systémy ABS - protiblokovací systém, EDS - elektrická uzávěrka diferenciálu a MSR - systém regulace krouticího momentu. Je nutné v první fázi stanovit vhodnou koncepci elektrického pohonu, tzn. typ elektromotoru, vhodný měnič a výkonný řídicí systém. Na tomto základě potom mohou být vyvíjeny a testovány jednotlivé metody v rámci daných systémů. Reference [1]http://www.futuremotion.cz/edee/content/pubutf/fmo/emobility/cs/elektromobilita.html. [2] Leonhard W.: Control of Electrical Drives. Springer - Verlag Berlin, 1997, ISBN 3-540-59380-2. [3] Brandštetter P.: Střídavé regulační pohony - Moderní způsoby řízení. Monografie, VŠB - Technická univerzita Ostrava, 1999, ISBN 80-7078-668-X. [4] Miller, T. J. E.: Electronic Control of Switched Reluctance Machines, University of Glasgow, 2001, ISBN 0 7506. [5] Vas P.: Sensorless Vector and Direct Torque Control. New York: Oxford University Press, 730 p., 1998, ISBN 0-19-856465-1. [6] Holtz, J.: Sensorless Control of Induction Motor Drives, IEEE ETATS-UNIS, vol. 90, pp. 1359-1394, New York, USA, 2002, ISSN 0018-9219. [7] Conference Proceedings, 14th European Conference on Power Electronics and Applications - EPE 2011, Birmingham, United Kingdom, 2011. [8] Symposium Proceedings, IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Hangzhou, China, 2012. [9] Smith K. C., Sedra A.: A second-generation current conveyor and its applications. In IEEE Transactions on Circuit Theory, vol. 17, p. 132-134, 1970.

doc. Ing. Petr Šimoník, Ph.D.
prof. Ing. Pavel Brandštetter, CSc.
Ing. Marek Dobrovský
Ing. Petr Krňa, Ph.D.
Ing. Jiří Friedrich
Ing. Tomáš Verner
Ing. Radek Šulák
Ing. Tomáš Mrověc, Ph.D.
Ing. Libor Skopal
Ing. Jiří Hájovský
Bc. Radek Majer

Hlavním cílem projektu je výzkum prostředků a moderních metod řízení pro realizaci bezsensorových pohonných jednotek a bezpečnostních asistenčních systémů elektromobilů.
Dílčí cíle projektu
C1. Vývoj simulačních modelů a simulace vybraných řídicích algoritmů pomocí programů Matlab-Simulink a OrCAD-PSpice.
C2. Vývoj elektronických obvodů pro zpracování signálů s využitím moderních aktivních prvků.
C3. Implementace aplikačního software do moderních řídicích systémů se signálovými procesory Freescale a Texas Instruments.
C4. Realizace funkčních vzorků a experimentální činnost v laboratořích řešitelského pracoviště.
C5. Analýza a vyhodnocení experimentálních výsledků.
C6. Publikace dílčích výsledků na mezinárodních konferencích a v odborných časopisech.
Časový harmonogram řešení
Doba řešení 1 rok (01/2013 – 12/2013)
Etapa 1. Koncepční řešení
Období 01/2013 - 03/2013 C1, C2, C3
Etapa 2. Simulace metod řízení, vývoj elektronických obvodů, vývoj řídicích algoritmů
Období 02/2013 - 06/2013 C1, C2, C3
Etapa 3. Realizace dílčích částí funkčních prototypů, implementace řídicích algoritmů
Období 05/2013 - 12/2013 C4, C6
Etapa 4. Experimentální činnost v laboratořích
Období 03/2013 - 12/2013 C4, C6
Etapa 5. Zpracování výsledků řešení a tvorba závěrečné zprávy
Období 12/2012 – 01/2014 C5, C6