Download - Stanca Aurel Cornel

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” din BRAŞOV

Facultatea de Inginerie Electrică şi Ştiinţa Calculatoarelor

Ing.Aurel Cornel STANCA

CONTRIBUŢII LA SISTEMELE DE CONTROL ALE AUTOVEHICULELOR CE UTILIZEAZĂ SUPERCONDENSATOARE

CONTRIBUTIONS TO THE CONTROL SYSTEMS OF THE VEHICLES USING

SUPERCAPACITORS

Rezumatul tezei de doctorat Summary of Ph.D.Thesis

Conducător ştiinţific Prof.univ.dr.ing.Iuliu SZEKELY

BRAŞOV 2010

Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare 1

CUPRINS [R] [T]

INTRODUCERE.............................................................................................................3........5 CAPITOLUL I. SISTEME DE CONTROL AUTO ......................................................5........9

1.1. Sistemele de control ale autovehiculelor .................................................................5........9 1.1.1. Sistemul de tracţiune al autovehiculelor........................................................... 5........9 1.1.2. Sistemul şasiu şi siguranţa pasagerilor ............................................................. 5......10 1.1.3. Sistemul corp al autovehiculului şi confortul ocupanţilor................................. 5......11 1.1.4. Sistemul de informare şi multimedia................................................................ 5......11

1.2. Senzori şi actuatori pentru autovehicule .................................................................6.......12 1.3. Reţele de comunicaţie în autovehicule ...................................................................6.......13

1.3.1. Controller Area Network (CAN) ..................................................................... 6......16 1.3.2. Local Interconnected Network (LIN)............................................................... 8......22

1.4. Microcontrolere utilizate în sistemele de control ale autovehiculelor.......................9......24 1.4.1. Factorii care determină specificul microcontrolerelor utilizate în sistemele de control ale autovehiculelor ..................................................................................................... 9.....24 1.4.2. Tipuri de microcontrolere destinate aplicaţiilor auto ........................................ 10....30

CAPITOLUL II. SUBSISTEMUL DE ÎNCĂRCARE A BATERIEI ŞI DE MANAGEMENT AL ENERGIEI................................................................................11......33

2.1. Alternatorul ..........................................................................................................11......33 2.2. Regulatorul de tensiune.........................................................................................11......34 2.3. Bateria ..................................................................................................................11......35

2.3.1.Construcţia şi funcţionarea acumulatorului electric acid-plumb .......................12......35 2.3.2. Parametrii de bază ai acumulatoarelor electrice ..............................................12......36

2.4. Supercondensatorul, alternativă a bateriei. ............................................................13......38 2.4.1. Construcţia şi parametrii supercondensatoarelor .............................................13......38 2.4.2. Încărcarea supercondensatoarelor ...................................................................13......39

CAPITOLUL III. SUBSISTEMUL DE PORNIRE A MOTORULUI CU COMBUSTIE INTERNĂ..................................................................................................................... 16.......49

3.1. Demarorul............................................................................................................ 16.......49 3.2. Pornirea autovehiculului cu demarorul alimentat de la baterie.............................. 16.......51

3.2.1. Simularea pornirii automobilului cu ajutorul bateriei .....................................16.......51 3.2.2. Experimente în condiţii reale .........................................................................18.......58

3.3. Simularea pornirii automobilului cu ajutorul supercapacitorului........................... 20.......67 CAPITOLUL IV. OPTIMIZAREA SUBSISTEMULUI DE PORNIRE A AUTOVEHICULELOR CE UTILIZEAZĂ SUPERCONDENSATOARE .............. 22.......72

4.1. Strategii de comandă a demarajului cu sursă de energie hibridă, baterie şi supercondensator ........................................................................................................ 22.......72

4.1.1. Strategia de comandă a demarajului, SC-B.MaxW.........................................22.......72 4.1.2. Strategia de comandă a demarajului, SC-B.MaxP ..........................................22.......74 4.1.3. Strategia de comandă a demarajului, BSC-B.MaxP........................................22.......81 4.1.4. Actualizarea parametrilor RSC şi RB ...............................................................25.......88 4.1.5. Maximizarea parametrilor ηU şi rPmax .............................................................25.......90 4.1.6. Selecţia supercondensatorului........................................................................26.......95 4.1.7. Selecţia traductorului de curent......................................................................26.......96

4.2. Implementarea strategiilor de comandă a demarajului SC-B.MaxP şi BSC-B.MaxP pe platforma experimentală ............................................................................................ 27........96 4.3. Implementarea strategiilor de comandă a demarajului SC-B.MaxP şi BSC-B.MaxP într-un sistem cu microcontroler încorporat ........................................................................... 27........98

4.3.1. Implementarea hardware ...............................................................................27.......98 4.3.2. Implementarea software.................................................................................27.....100

Rezumatul tezei de doctorat 2

CAPITOLUL V. SUBSISTEMUL DE MANAGEMENT AL PREÎNCĂLZITORULUI CONVERTORULUI CATALITIC ........................................................................... 29.......108

5.1. Subsistemul de reglare a compoziţiei amestecului combustibil ........................... 29.......108 5.2. Schema bloc a subsistemului de management al preîncălzitorului convertorului catalitic...... ............................................................................................................... 29.......110 5.3. Selecţia componentelor subsistemului................................................................ 30.......112

5.3.1. Selecţia supercondensatorului......................................................................30.......112 5.3.2. Selecţia componentelor convertorului cc-cc 12-48,6V .................................30.......113 5.3.3. Selecţia rezistenţei de preîncălzire ...............................................................31.......116 5.3.4. Selecţia traductorului de temperatură ...........................................................31.......116

5.4. Funcţionarea subsistemului ................................................................................ 31.......117 5.4.1. Diagrama temporală de funcţionare a subsistemului ....................................31.......117 5.4.2. Algoritmul de conducere al subsistemului ...................................................32.......119

CAPITOLUL VI. SUBSISTEMUL DE MANAGEMENT AL ENERGIEI AUTOVEHICULULUI............................................................................................... 33......122

6.1. Modulul de control al motorului autovehiculului (ECM)..................................... 33......122 6.2. Funcţiile şi structura sistemului modernizat de management al energiei autovehiculului...... ................................................................................................... 33.......124 6.3. Funcţionarea şi algoritmul de comandă a sistemului modernizat de management al energiei autovehiculului............................................................................................ 33.......126 6.4. Implementarea algoritmului sistemului de management al energiei cu microcontrolerul PIC 18F4480/4580.................................................................................................... 34.......128

6.4.1. Caracteristicile microcontrolerelor PIC 18F4480/4580 ................................34.......130 6.4.2. Modulul convertor A/D ...............................................................................34.......131 6.4.3. Modulul de tensiune de referinţă pentru comparatoare.................................35.......133 6.4.4. Modulul ECAN (Enhanced CAN) ...............................................................35.......134 6.4.5. Transceiver-ul CAN ....................................................................................36.......138 6.4.6. Condiţionarea semnalelor ............................................................................36.......139 6.4.7. Sursa de alimentare a modulului sistemului ................................................37........141 6.4.8. Montajul sistemului ....................................................................................38........142

CAPITOLUL VII. CONCLUZII FINALE ŞI CONTRIBUŢII ORIGINALE....... 39........145 BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ................................................................................ 46........157


INTRODUCERE

Istoria automobilului se împarte în două mari perioade: perioada de început (clasică), cuprinzând epocile veterană, edwardiană, vintage, antebelică şi postbelică ce au fost marcate de tipul dominant al propulsiei autovehiculelor şi perioada a doua (modernă) definită mai ales de tendinţele stilului exterior şi al dimensiunilor precum şi de preferinţele utilitare.

Perioada clasică este presărată de multe nume de inventatori: Nicolas-Joseph Cugnot, proiectantul primul automobil cu motor cu abur (1769); Karl Benz, recunoscut ca inventatorul automobilului modern; Nikolaus Otto, creatorul motorului cu combustie internă pe benzină în patru timpi; Rudolf Diesel, inventatorul motorului în patru timpi pe motorină; Christian Friedrich Schönbein, ce a fundamentat pila de combustie cu hidrogen (1838); Ányos Jedlik, inventatorul motorului electric; Gaston Planté, inventatorul bateriei acid-plumb (1859).

Evoluţia autovehiculelor din punct de vedere al sistemului de propulsie poate fi jalonată de automobilul cu motor cu abur (1769), cu combustie internă cu gaz lichefiat (1806), cu combustie internă pe benzină (1885), cu motor electric (începutul secolului XX).

Indiferent de epoca în care s-a fabricat, orice automobil are în componenţă sisteme de: propulsie, transmisie, direcţie, frânare, suspensie, răcire, eşapament şi electric. Controlul acestor sisteme se făcea la început numai prin subsisteme mecanice, electromecanice sau hidraulice. Pe măsura avansului tehnologic o parte din sarcinile controlului sistemelor automobilului au fost preluate de subsisteme electronice. Cu avantaje certe faţă de sistemele de conducere clasice, sistemele electronice analogice nu au putut totuşi realiza în unele cazuri funcţionalitate şi performanţe competitive. Acoperirea neajunsurilor a fost făcută de microcontrolere, care au revoluţionat tehnologia începând de acum 20 ani, prin posibilitatea pe care au oferit-o de a implementa algoritmi avansaţi de control.

Creşterea cerinţelor de mediu de reducere a poluării şi a consumului de combustibil a fost una din raţiunile pentru care industria auto a fost cea mai rapidă în introducerea noilor tehnologii bazate pe microcontrolere. Activitatea de cercetare viguroasă din domeniu şi implementarea rapidă a soluţiilor permite aprecierea că autovehiculele de astăzi sunt maşini computerizate, având un număr foarte mare de microcontrolere incluse.

Sistemele de control ale autovehiculelor sunt concepute având în vedere trei obiective fundamentale: eficienţa (consum redus de combustibil), emisii reduse (protejarea mediului înconjurător), siguranţa pasagerilor, dar şi un număr de alte obiective cum ar fi: confortul, uşurinţa şofatului, zgomotul redus, disponibilitatea, durata de exploatare extinsă [15].

Provocările legate de automobile continuă deoarece, dacă în anul 2002 în întreaga lume circulau circa 590 milioane de automobile în anul 2007 circulau deja circa 806 milioane. Creşterea spectaculoasă a numărului de autovehicule (mai ales în China şi India) amplifică îngrijorător fenomenul de încălzire globală, alături de celelalte surse de poluare.

Din această perspectivă este necesar ca cercetările actuale să se concentreze pe descoperirea de surse de energie curată ce asigură şi o bună eficienţă a automobilelor dar şi pe modernizarea sistemelor de control de pe autovehiculele cu propulsie clasică, astfel încât acestea să satisfacă cele trei exigenţe majore impuse. Astăzi, sunt dezvoltate şi chiar produse şi vândute automobile ce sunt propulsate electric, cu hidrogen sau cu aer comprimat [6].

Pe de altă parte, numeroase tehnologii au fost dezvoltate şi utilizate la creşterea eficienţei energetice a autovehiculelor convenţionale: frâna regenerativă; tehnologia BMW Turbosteamer; motorul hibrid cu aer comprimat; sisteme de utilizare a căldurii disipate cu motoare cu abur, cu motoare stirling, cu diode termice; proiectarea de vehicule aerodinamice; instalarea dispozitivelor de prevenire a vortex-urilor.

Pe lângă includerea în autovehicule a sistemelor performante ce le conferă acestora atribute conforme cu cerinţele actuale ale pieţei şi ale reglememtărilor legale, un avans substanţial îl înregistrează şi sistemele de dezvoltare. Astfel, utilizând tehnologia de simulare în timp real HiL – Hardware-in-the-loop, sistemele electronice de control ale autovehiculelor pot fi rapid dezvoltate.


Lucrarea de faţă se încadrează în contextul prefigurat, de acomodare a autovehiculelor cu motoare cu combustie internă la două din exigenţele majore ale epocii actuale: utilizarea eficientă a energiei şi protecţia mediului înconjurător. Se propune modernizarea subsistemelor de pornire (demaraj) şi de încărcare a bateriei şi management al energiei actuale precum şi implementarea unui subsistem nou, de preîncălzire a convertorului catalitic, prin implicarea unei componente cu utilizare în plină expansiune, supercondensatorul [40].

Subsistemul modernizat de management al demarajului ce utilizează supercondensatoare prezintă următoarele avantaje: permite folosirea bateriilor îmbătrânite, exploatate intensiv sau descărcate parţial inutilizabile pentru pornirea motoarelor cu combustie internă; măreşte durata de viaţă a bateriei de 2-3 ori (astfel numărul de baterii auto acid-plumb, se micşorează în aceeaşi măsură); permite utilizarea bateriilor cu capacitate mai mică (rezultând reducerea volumul cu circa 10-30% şi a greutăţii cu circa 25-40%, deci reducerea cantităţii de plumb şi acid sulfuric şi a masei totale a maşinii); îndeplinirea condiţiilor de mediu, deoarece supercondensatorul nu emite substanţe nocive nici pe durata funcţionării şi nici a stocării [29]; energia electrică cu care se încarcă supercondensatorul este energie recuperată la frânare şi la coborârea pantelor.

Subsistemul de management al preîncălzirii convertorului catalitic are în structură un supercondensator care prin descărcare pe o rezistenţă realizează încălzirea rapidă a convertorului catalitic până la temperatura minimă de lucru. În absenţa preîncălzirii, în intervalul de timp de la pornire până la atingerea temperaturii optime de lucru a catalizatorului, se emite în atmosferă cea mai mare parte din cantitatea totală de noxe produsă de autovehicul.

Introducerea sistemului centrat pe cele două supercondensatoare nu împietează asupra performanţelor dinamice ale vehiculului pe care este implementat, deoarece atunci când autovehiculul necesită putere maximă (la depăşiri cel mai adesea) sistemul deconectează supercondensatoarele şi bateria de la alternator degrevând astfel motorul de o sarcină inoportună.

La finalizarea acestei lucrări, doresc să mulţumesc domnului prof.dr.Ing.Iuliu SZEKELY, conducătorul meu ştiinţific, care mi-a acordat un sprijin substanţial la elaborarea tezei de doctorat şi de sugestiile şi îndrumările căruia m-am bucurat pe toată perioada de derulare a lucrării.

Mulţumesc de asemenea pentru sprijinul moral şi tehnic colectivelor implicate în proiectele COST Action 542 – High Performance Energy Storage for Mobile and Stationary Applications - şi TRANS-SUPERCAP nr. 21-018/2007 PNII/P4 CNMP şi în special domnului prof.dr.ing.Paul Nicolae BORZA care m-a îndrumat, m-a sprijinit cu o documentaţie consistentă şi cu supercondensatoare pentru efectuarea experimentelor. Mulţumesc de asemenea: domnilor prof.dr.ing.Florin SANDU care mi-a acordat sprijin substantial în elaborarea tezei de doctorat, ing.Adrian NOVAC de la INAR care a facilitat realizarea platformei dedicată experimentelor precum şi documentaţia din domeniul specific abordat în teză şi conf.dr.ing.Adrian Virgil CRĂCIUN pentru documentaţia furnizată referitoare la magistrala CAN.

Nu este mai puţin important sprijinul moral pe care l-am primit de la familia mea, soţia Manuela şi cei doi fii, Filip şi Cezar, pe parcursul perioadei de elaborare a tezei de doctorat, cărora le mulţumesc de asemenea şi pentru faptul că au suportat adesea lipsa mea de implicare deplină în problemele familiei în această perioadă.


CAPITOLUL I. SISTEME DE CONTROL AUTO

Un sistem de control auto are în structură un microcontroler, dispozitive de achiziţie a informaţiilor din proces (senzori) şi dispozitive de acţionare asupra procesului (actuatori).

Microcontrolerul dispune şi de cel puţin o interfaţă de comunicaţie serială pentru comunicaţii în reţeaua specializată, Fig.1.1. La rândul lor, reţelele specializate pot fi conectate între ele prin intermediul unor bridge-uri pentru a întregi sistemul global de comandă al autovehiculelor.

Din motive de simplitate constructivă şi funcţională şi cost redus, astăzi se folosesc senzori şi actuatori cu electronică “inteligentă” înglobată [11], care pot să comunice pe magistrale şi să rezolve o multitudine de sarcini prin care degrevează microcontrolerul sistemului de sarcini “mărunte” (condiţionare semnale, etalonare, memorare parametri, etc.).

1.1. Sistemele de control ale autovehiculelor

Multitudinea de sisteme de control existente astăzi în autovehicule poate fi structurată pe categorii funcţionale: sistemul de tracţiune; sistemul şasiu şi siguranţa pasagerilor; sistemul corp al autovehiculului şi confortul ocupanţilor; sistemul de informare şi multimedia.

1.1.1. Sistemul de tracţiune al autovehiculelor

Subsistemele de comandă ce compun sistemul de tracţiune al autovehiculului sunt dedicate pentru: managementul motorului (ECU/PCM/ECM); transmisie; încărcare a bateriei şi management al energiei; demaraj; control al elementului de preîncălzire la motoarele Diesel; frâna electrică pentru parcare; răcirea motorului; recircularea gazului eşapat; aprindere; admisia de amestec combustibil; schimbătorul automat de viteze electronic.

1.1.2. Sistemul şasiu şi siguranţa pasagerilor

Subsistemele ce participă la funcţionarea elementelor de pe şasiu şi la siguranţa autovehiculului sunt dedicate pentru: suspensie activă; Subsistemul airbag; antiblocare frâne (ABS); asistare la viraje (ESC); detectarea tendinţei de răsturnare; tensionare a centurilor de siguranţă; monitorizare a poziţiei ocupanţilor autovehiculului; asistare la parcare.

1.1.3. Sistemul corp al autovehiculului şi confortul ocupanţilor Se compune din subsisteme pentru controlul: ambianţei; zonei portierelor; scaunelor;

lămpilor; ştergătoarelor de parbriz; pompei de apă, poziţiei volanului; poziţiei pedalelor, protecţiei solare; degivrării parbrizului şi lunetei; sistemelor avansate de diagnosticare.

1.1.4. Sistemul de informare şi multimedia

Subsistemele componente ale acestui sistem sunt: radio analogic; radio digital; player

pentru CD-uri şi DVD-uri; receptor digital de la satelit; bordul autovehiculului; alarma autoturismului; sistemul de navigaţie.

Proces

Comenzi

Informaţii Comunicaţii

Microcontroler

Senzori

Actuatori

Fig.1.1. Schema bloc a unui sistem de comandă bazat pe microcontroler.


1.2. Senzori şi actuatori pentru autovehicule

Primul senzor utilizat în autovehicule a fost senzorul de presiune din camera de admisie

(MAP) în 1979, iniţial piezorezistiv necompensat, ulterior piezorezistiv compensat (1990), în tehnologie bipolară (1995) şi apoi în tehnologie CMOS microprelucrată în volum, cu memorie nevolatilă încorporată într-un DSP. În anii 90, se produceau în masă accelerometre pentru sistemele airbag, în varianta capacitivă, obţinute prin tehnologia MEMS de microprelucrare a suprafeţei [10].

MEMS-urile sunt dispozitive ce au în structură componente cu dimensiuni între 1-100 microni şi la care datorită raportului foarte mare suprafaţă/ volum domină efectele electrostatice şi de umezire [13]. Acestea combină procesarea de semnal şi comunicaţia de date pe un singur chip de siliciu sau într-o singură capsulă şi contribuie esenţial la creşterea fiabilităţii, consumul eficient de carburant, reducerea noxelor gazelor eşapate şi creşterea siguranţei şi confortului autovehiculelor. Ele răspund cerinţelor aspre de sub capotă: temperaturi extreme, şocuri, vibraţii, umiditate, mediu coroziv, interferenţe electromagnetice şi de radiofrecvenţă; au de asemenea o perioadă de exploatare mare şi preţ mic (datorită standardizării proceselor şi a volumul mare al producţiei) având fineţea componentelor din domeniul militar şi preţul consumatorului obişnuit.

1.3. Reţele de comunicaţie în autovehicule

Există şase clase de reţele de comunicaţie în autovehicule: Clasa A (comunicaţia cu destinaţie generală UART cu viteze de până la 10kbps); Clasa B (magistrală necritică cu viteze între 10kbps şi 125kbps); Clasa C (reţea cu număr redus de fire, cu viteze între 125kbps şi 1Mbps); Emisii/ Diagnosticare; Multimedia mobilă; X-by-wire (electronica adăugată pentru a îmbunătăţi şi înlocui sarcinile realizate în mod clasic prin sisteme mecanice şi hidraulice).

Reţelele utilizate astăzi în autovehicule sunt: BTS (Bosh-Siemens-Temic), ByteFlight, CAN (Controller Area Network), DSI (Distributed Systems Interface), D2B (Domestic Digital Data Bus), FlexRay [21], IDB-1394, IEBus (Inter Equipment Bus), Intellibus, K-Line, LIN (Local Interconnect Network), MI (Motorola Interconnect), MOST (Media Oriented System Transport), MML (Mobile Multimedia Link), OBD II (On Board Diagnostics II), PSI5 (Peripheral Sensor Interface), SAE J1708, SAE J1650.

1.3.1. Controller Area Network (CAN) CAN a fost conceput de firma Bosch în 1983, fiind oficial definit de SAE în 1986. Este un protocolul de transmisie orientat pe mesaj. Fiecare mesaj are, pe lângă conţinut, un identificator unic în întreaga reţea, prin care se defineşte prioritatea sa.

CAN-ul este bazat pe mecanismul de comunicare prin „difuzare largă” (Broadcast Communication); orice staţie a reţelei poate să asculte mesajul staţiei transmiţătoare şi poate prelua mesajul funcţie setările din Filtrul de Acceptare (Acceptance Filtering) implementat. În serviciul clasic de comunicaţie, Write Object, un nod producător (producer) trimite cadre către unul sau mai multe noduri consumatoare (consumers), fără ca acest lucru să implice interesul anterior al vreunei staţii în aceste mesaje. În al doilea serviciu de comunicaţie, Read Object, un nod solicită un mesaj specific printr-un Remote Frame. Nodul care este proprietarul informaţiei va răspunde prin transmiterea mesajului Data Frame corespunzător. Mesajul de răspuns, poate fi recepţionat de asemenea şi de alţi consumatori interesaţi.

Metoda de acces utilizată în CAN este non-distructivă cu arbitraj la nivel de bit. Când reţeaua este liberă, orice nod poate porni transmisia mesajului, chiar simultan cu alte noduri, evitându-se coliziunea prin metoda CSMA/ CA+AMP implementată. Prioritatea mesajului este dată de identificatorul mesajului. Deoarece fiecare nod citeşte de pe magistrală bit după bit întregul mesaj şi îl compară bitul transmis, biţii cu valoarea dominantă se suprascriu (în


transceiver) peste aceia cu valoarea recesivă. Dacă valoarea citită este diferită de cea transmisă nodul pierde competiţia şi trece în regim de ascultare.

Mesajul Data Frame este produs de un nod când acesta doreşte să transmită data sau când acesta este interogat de un alt nod. El are următoarea structură: Start of Frame (SOF), Arbitration field, Control field, Data Field, CRC Field, Acknowledge Field, End of Frame.

Fiecare producător de reţele deţine propria sa bază de date cu definiţia cadrelor şi semnalelor care, în mod obişnuit, este confidenţială.

Metoda de codare a biţilor în semnale este NRZ. Cum sincronizarea este asigurată de tranziţii, iar la un număr mare de biţi succesivi cu aceeaşi valoare sincronizarea se poate pierde, se utilizează regula bit-stuffing ce introduce un bit complementar la fiecare 5 biţi de acelaşi valoare.

Temporizarea biţilor (Bit timing) în CAN presupune împărţirea duratei bitului în 4 segmente ce conţin un număr de cuante de timp (câte două impulsuri de tact) astfel: SYNC_SEG (o cuantă; utilizat pentru sincronizarea nodurilor reţelei); PROP_SEG (1÷8 cuante; utilizat pentru compensarea întârzierilor semnalului de-a lungul magistralei); PHASE_SEG1 (1÷8 cuante; utilizat la compensarea erorilor de fază ale fronturilor; poate fi lungit pe durata resincronizărilor); PHASE_SEG2 (lungimea maximă a segmentului anterior şi a timpului de procesare a informaţiei; utilizat pentru compensarea erorilor de fază ale fronturilor, putând fi scurtat pe durata resincronizării). Prin programarea momentului eşantionării (Sample Point) se poate optimiza temporizarea biţilor: o eşantionare întârziată permite maximizarea lungimii magistralei; o eşantionare timpurie permite realizarea de fronturi scurte ale impulsurilor.

Standarde pentru reţelele CAN din autovehicule

• CAN de mare viteză, ISO 11898-2 cu caracteristicile: viteză maximă 1 Mbps; lungime magistrală 40m; transmisia diferenţială pe două fire; necesită utilizarea a doi terminatori;

• CAN tolerant la defecte, ISO 11898-3. Caracteristici: se foloseşte pe distanţe scurte; nu necesită terminatori; consum mic al driverelor; poate face transmisie asimetrică pe un fir dacă unul din cele două fire se întrerupe accidental; viteza maximă 125kbps; lungimea magistralei depinde de viteza de transmisie şi de numărul de noduri; număr maxim de noduri 32;

• SAE J2411, CAN pe un singur fir. Caracteristici: viteaza 33,3kbps (83,3kbps în modul viteză mare la diagnoză); număr de noduri 32; transmisia de date se face chiar pe firul de alimentare.

Controlul motorului (ECM)

Controlul suspensiei

Controlul tracţiunii

Controlul cutiei de viteze

ABS

Sistemul de control central (Poartă CAN)

Controlul luminilor din

faţă

Instrumente de bord

Controlul uşilor

Controlul luminilor din

spate

Controlul scaunelor

Controlul oglinzilor

CAN de mare viteză

CAN tolerant la defecte

CAN pe un singur fir

Fig.1.2. Utilizarea reţelelor CAN într-un autovehicul.


• ISO 11992 – point to point, înlănţuire punct la punct. Caracteristici: tolerant la defecte; viteză maximă 125kbps; lungime maximă 40m; tensiune de alimentare 12/ 24V; mediu de transmisie UTP;

Într-un autovehicul pot coexista mai multe tipuri de reţele CAN, interconectate prin intermediul porţilor Fig.1.2. 1.3.2. Local Interconnected Network (LIN)

Protocolul LIN, reglementat prin standardul SAE J2602, este proiectat ca o reţea ieftină, de scurtă distanţă şi viteză mică. Are o arhitectură cu un singur Master şi mai mulţi Slave, destinată conectării senzorilor şi actuatorilor din unele aplicaţii auto. Nodul Master conectează reţeaua LIN cu reţelele de nivel înalt, ca de exemplu CAN. Poate înlocui cu succes reţelele CAN tolerant la defecte şi CAN pe un singur fir.

Caracteristici: microcontrolerele utilizate sunt pilotate de oscilatoare RC foarte ieftine; rata de transfer este de până la 20Kbaud; lungimea reţelei este de până la 40m; protocolul este o combinaţie între I2C şi RS232 şi include autocontrolul vitezei de transmisie; poate lucra în modul SLEEP pentru evitarea descărcării bateriei. Magistrala constă într-un singur fir (Fig.1.3.), conectat în driverele open-colector, la alimentare, prin rezistoare. Starea dominantă este semnalată prin comanda tranzistorului oricărui nod, care pune la masă colectorul (implicit magistrala), iar starea recesivă se stabileşte prin rezistoare la valoarea VBAT=9÷18V, atunci când niciun tranzistor nu este comandat. Magistrala poate suporta şi tensiune de 40V, microcontrolerul fiind izolat de magistrală printr-un transceiver ce permite ca microprocesorul să opereze la 5V.

Protocolul la nivel de bit presupune că fiecare byte transmis este încadrat de un bit de start şi unul de stop (similar transmisiei asincrone RS 232). În cadrul fiecărui byte, biţii se transmit în ordinea LSB - MSB. Bitul de start are valoarea 0, iar bitul de stop 1.

În cadrul protocolului la nivel de mesaj, masterul interoghează nodurile Slave pentru partajarea datelor lor cu restul reţelei. Nodurile Slave transmit date numai comandate de Master-ul ce permite comunicaţia bidirecţională fără un mecanism avansat de arbitraj. Transferul mesajului începe cu câmpul Synch Break prin care Master-ul informează Slave-urile că începe transmisia unui mesaj. Urmează câmpul Synch Field ce este destinat sincronizării ceasurilor nodurilor Master şi Slave între care poate exista o derivă mai mare de 15%. Slave-urile determină rata de transfer a Master-ului şi-şi ajustează frecvenţa de ceas proprie. ID Field este câmpul care dă informaţii despre lungimea în byte a câmpului de date pe care-l solicită şi adresa nodului de la care aşteaptă răspuns. După interogarea de către Master a unui Slave, acesta depune datele pe magistrală ele ajungând la toate nodurile, deci şi la nodul destinaţie.

Master-ul poate trece toate nodurile în modul economic Sleep prin trimiterea codului 80h. În acest mod nodurile au consum foarte redus de energie. Orice nod poate “trezi” reţeaua prin trimiterea caracterului 80h. Printre utilizările reţelei LIN se numără: subsistemele din plafon (senzorul de ploaie, senzorul de lumină, controlul luminilor, controlul decapotării, etc.), subsistemele din portiere (controlul oglinzilor, controlul geamurilor, blocarea uşilor, etc.), subsistemul de climat (senzori de temperatură şi umiditate, control servomotoare), subsistemele de pe volan (control traseu, ştergătoare de parbriz, semnalizatoare, şi opţional controlul climatului, radioului, telefonului,

Fig.1.3. Configuraţia tipică a reţelei LIN.


etc.), subsistemul scaune (senzorul ocupanţilor, panoul de control, controlul poziţiei ocupanţilor), subsistemul motor (senzori şi servomotoare).

1.4. Microcontrolere utilizate în sistemele de control ale autovehiculelor 1.4.1. Factorii care determină specificul microcontrolerelor utilizate în sistemele de control ale autovehiculelor

Comunicaţiile Datorită numărului mare de sisteme şi subsisteme de comunicaţie interconectate,

microcontrolerele pentru autovehicule au o zonă destinată capabilităţilor de comunicaţie mai mare decât cea dedicată CPU [2]. Aceste interfeţe de comunicaţie sunt autonome, astfel încât CPU se eliberează în bună măsură de managementul comunicaţiei.

Algoritmii de conducere Algoritmii sistemelor de conducere auto trebuie să manipuleze intrările de la mai mulţi

senzori şi de la mai multe sisteme de comunicaţii, să execute în timp real cicluri de control şi să controleze ieşirile către mai mulţi actuatori. Complexitatea algoritmilor a condus de asemenea la implementarea de sisteme de operare adecvate, cum ar fi sistemul de operare combinat cu sistemul de management al reţelei OSEK/VDX ce facilitează reutilizarea şi portabilitatea software-ului precum şi predictibilitatea comportării sistemului.

Senzori şi actuatori inteligenţi Datorită creşterii numărul de senzori şi actuatori, probleme cum ar fi: manipularea

întreruperilor intrărilor sau eşantionarea ieşirilor, furnizate de interfeţe diferite pentru fiecare senzor/ actuator; procesarea/ partajarea informaţiei (uzual analogică) ce se schimbă între CPU şi fiecare senzor/ actuator, au putut fi rezolvate prin implementarea senzorilor şi actuatorilor inteligenţi care includ în acelaşi cip un CPU (MEMS) ce poate fi conectat cu ECU prin intermediul magistralei.

Siguranţa în funcţionare Sistemele de pe autoturisme trebuie să prezinte o funcţionare sigură la defecte (de

exemplu ECU-ul ABS-ului comută pe sistemul clasic la apariţia unui defect electric) sau să fie tolerante la defecţiuni (care recunoaşte producerea unui defect electric, dar continuă să opereze sigur). CPU poate valida componentele sistemului, “sănătatea” sa fiind verificată şi validată de un al doilea CPU, redundant, ce poate fi implementat printr-un al doilea µC de sine stătător sau de un detector de eroare al CPU cu comparator logic pe acelaşi µC.

Performanţă şi preţ de cost Utilizarea CPU RISC ce execută o instrucţiune într-un singur ciclu de tact, duce la

dimensiuni mici ale cipului şi viteză mare de procesare. Procesoarele RISC de astăzi pot executa instrucţiuni complexe ca MUL şi DIV (dar în câteva cicluri), prezintă foarte înaltă putere de calcul, capabilităţi de manipulare rapidă a întreruperilor, şi cod dens, eficient.

Memoriile Dimensiunile ROM-ului continuă să crescă pentru a putea găzdui programele ce

implementează algoritmii complecşi, lăsând CPU-ului din µC să ocupe o porţiune din ce în ce mai mică. Tipic raportul de 32:1 între ROM şi RAM este considerat potrivit în microcontrolerele moderne. În sistemele critice ce necesită mai multă siguranţă, se verifică integritatea conţinutului memoriei. Cea mai întâlnită tehnică este de verificare a parităţii pentru întreaga matrice de memorie. Alte scheme utilizează registrul de deplasare cu reacţie liniară (Linear Feedback Shift Register) pentru a realiza analiza de semnătură pe blocuri de memorie.

Soluţii mecatronice Mecatronica, care vede sistemul ca un tot unitar şi nu ca o colecţie de părţi componente

(electrice, electronice, mecanice) interfaţate, are soluţii potrivite pentru împachetarea


microcontrolerelor. Ea integrează componente individuale de naturi diferite într-un tot unitar încă în faza de proiectare, obţinându-se sisteme robuste cu număr redus de conexiuni.

Perturbaţiile Pentru îmbunătăţirea EMC (impusă de creşterea numărul de procesoare şi de viteza lor

de operare), la nivelul proiectării circuitelor integrate se iau în consideraţie: folosirea a cât mai puţine generatoare de tact şi oprirea acestora când nu sunt utilizate, reducerea puterii buferului de ieşire, folosirea surselor multiple şi a mai multor pini de masă precum şi reducerea impedanţei traseelor acestor pini, eliminarea circuitelor de schimbare de sarcină integrate şi poziţionarea semnalelor de înaltă frecvenţă în apropierea traseului de masă.

Consumul de energie Ţinând cont de numărul mare de sisteme care trebuie să funcţioneze, unele chiar atunci

când motorul este oprit (putând descărca rapid bateria), MCU-urile sunt optimizate din punct de vedere al consumului de energie. Astfel, când cipul este inactiv, se opreşte generatorul de tact. Pe de altă parte, ECU-ul airbag-ului funcţionează şi în eventualitatea unui accident care întrerupe alimentarea de la baterie, prin comutarea pe un condensator de valoare mare (sau supercondensator), ce poate asigura şi umflarea airbag-urilor.

Integrarea funcţiilor În microcontrolerele destinate aplicaţiilor auto diverse funcţii (de putere, analogice,

numerice, de procesare, de memorare, de comunicaţie, de protecţie, etc.) sunt integrate într-un “cip sistem” ce include diferite tipuri de tehnologii, implementate în aceeaşi pastilă de siliciu.

1.4.2. Tipuri de microcontrolere destinate aplicaţiilor auto

În aplicaţiile auto se utilizează deopotrivă microcontrolere pe 8, 16 şi 32 biţi. Aplicaţiile tipice în care se utilizează microcontrolere pe 8 biţi sunt: controlul ventilaţiei,

controlul climatului, comanda ştergătoarelor, comanda protecţiei solare, acţionarea geamurilor, senzorul de ploaie, funcţiile necritice de pe bord, controlul scaunelor, controlul modulelor din zona uşilor.

Microcontrolerele pe 16 biţi sunt ideale pentru controlul motorului, cu soluţii pentru ambele tipuri de motoare (pe benzină şi pe motorină) şi pentru controlul direct al injecţiei. Aceste microcontrolere combină înaltele performanţe ale CPU cu înalta funcţionalitate a perifericelor şi cu capabilităţile de intrare/ ieşire îmbunătăţite.

Microcontrolerele pe 32 biţi pot fi utilizate la sistemului de tracţiune şi în aplicaţiile ITS (Intelligent Transportation System).


CAPITOLUL II. SUBSISTEMUL DE ÎNCĂRCARE A BATERIEI ŞI DE MANAGEMENT AL ENERGIEI

Acest subsistem este

parte a sistemului de control al tracţiunii autovehiculelor şi este destinat producerii de energie electrică pentru încărcarea bateriei şi alimentarea sistemului electric al autovehiculului. Subsistemul nu are în nucleu un microcontroler, dar este cuplat cu ECU care monitorizează tensiunea de excitaţie Fig.2.1.

Componentele cheie ale subsistemului convenţional sunt: alternatorul, regulatorul de tensiune şi acumulatorul electric (bateria).

2.1. Alternatorul

Alternatorul este un generator sincron, trifazat de curent alternativ, cuplat la axul motorului, utilizat la încărcarea bateriei şi la alimentarea sistemul electric pe perioada funcţionării motorului. Se roteşte cu o viteză de 2-3 mai mare decât a motorului, astfel încât furnizează tensiune şi când motorul funcţionează la relanti. Redresarea tensiunii furnizate de alternator se face cu o punte trifazată bialternanţă cu 6 diode redresoare, Fig.2.1.

Randamentul alternatorului este de 50-62% funcţie de dimensiunea sa şi depinde de turaţie fiind limitat de pierderile în ventilator, rulmenţi, miezul feromagnetic, conductoarele de cupru ale înfăşurărilor şi căderilor de tensiune pe diodele redresoare. De asemenea valoarea curentului debitat de alternator depinde de turaţie.

În construcţie clasică, alternatoarele pot livra un curent de maxim 32A, dar astăzi sunt alternatoare (pentru autovehicule de pasageri sau camioane) ce pot produce 50-70A. Foarte multe alternatoare pot avea sisteme de răcire cu apă sau ulei.

2.2. Regulatorul de tensiune

Regulatorul de tensiune (de exemplu L9407F din Fig.2.1.) montat în interiorul carcasei

alternatorului împreună cu diodele redresoare, modulează curentul de excitaţie pentru a menţine constantă tensiunea livrată de alternator. Pe lângă bornele de alimentare A+ şi GND el dispune de terminale pentru sesizarea comenzii de pornire D+, comanda înfăşurării de excitaţie DF, monitorizare a tensiunii de excitaţie DFM şi detecţie a fazei PH.

Multe regulatoare de tensiune actuale sunt conectate la computerul de bord şi astfel factori cum ar fi temperatura aerului şi sarcina motorului sunt luate în considerare la ajustarea tensiunii de ieşire, implicit a tensiunii de încărcare a bateriei.

2.3. Bateria

Bateria (acumulatorul electric) constituie o soluţie practică şi eficientă de stocare a energiei electrice ce este transformată în energie chimică în cursul încărcării acumulatorului. La

Figura 2.1. Schema bloc a sistemului de încărcare a bateriei şi de management al energiei.

Comutator pornire

Lampă semnalizare pornire

Spre

ECM

Vc

Înfăşurare statorică

Înfăşurare rotorică

Regulator de tensiune

Redresor


descărcare, prin alimentarea consumatorilor, în regim intermitent sau continuu, energia chimică este convertită în energie electrică [16], [17].

Pentru demarajul automobilelor, se folosesc aproape în exclusivitate acumulatoare acide cu electrozi de plumb, care la un cost scăzut, asigură o densitate de energie rezonabilă.

2.3.1.Construcţia şi funcţionarea acumulatorului electric acid-plumb

Un element acumulator constă dintr-o cuvă cu soluţie apoasă de acid sulfuric în care sunt imersaţi doi electrozi tip placă (catod şi anod). Între electrozi se interpun membrane microporoase, care permit transferul de ioni, dar împiedică scurtcircuitul. Prin încărcare, sulfatul de plumb din plăcile pozitive se transformă în acid sulfuric şi bioxid de plumb, iar la plăcile negative în plumb şi acid sulfuric. Pe măsură ce se încarcă acumulatorul, tensiunea la borne creşte până la cca 2,1-2,15V/ element. Pentru încărcări prelungite, tensiunea pe element depăşeşte 2,35V şi se iniţiază un proces secundar de electroliză ce conduce la pierderea de apă; astfel creşte concentraţia acidului, ce duce la scăderea duratei de viaţă şi a performanţelor bateriei. În procesul de descărcare, atât plăcile catod cât şi cele anod se sulfatează progresiv, parţial sau total, în funcţie de profunzimea descărcării. Sulfatul de plumb format acoperă superficial sau profund electrozii, iar apa formată măreşte diluţia electrolitului şi face să crească rezistenţa internă şi să scadă tensiunea la borne până la valoarea de oprire care este cu atât mai redusă cu cât curentul de descărcare este mai mare.

2.3.2. Parametrii de bază ai acumulatoarelor electrice Tensiunea electrică, depinde de gradul de descărcare al bateriei, de regimul de descărcare

şi de temperatură. La demaraj este importantă dependenţa tensiunii de regimurile de descărcare severe, specifice regimului de lucru în scurtcircuit al demarorului, Fig.2.2. [17].

Capacitatea electrică (Ah), reprezintă cantitatea de electricitate pe care o poate debita un element complet încărcat în regim de descărcare de 20h până la tensiunea nominală de 1,75V, la temperatura de 25ºC.

Capacitatea disponibilă este capacitatea debitată de un element în regimuri mai severe de descărcare; depinde de temperatură şi de regimul de descărcare.

Rezistenţa internă, are valori mici, de ordinul mΩ şi depinde de construcţie, regimul funcţional, starea de încărcare şi temperatură.

Randamentul funcţional, este raportul dintre cantitatea de electricitate disponibilă în starea încărcat şi cantitatea de electricitate consumată pentru încărcare (80-90%).

Randametul energetic, este raportul dintre energia disponibilă a unui acumulator în starea încărcat, în regim nominal de descărcare şi energia consumată la încărcare (65-75%).

Conservarea capacităţii, este dependentă de temperatură fiind de 6% la 10ºC şi 40% la 25ºC la acumulatoarele de demaraj actuale.

Durata de viaţă, este de aproximativ 2-6 ani funcţie de intensitatea solicitărilor şi de modul de întreţinere şi exploatare.

0,5 1 2 3 4 5 6 1

1,2

1,4

1,6

1,8

Uelem, V

Timp de descărcare, min

Fig.2.2. Curbele de descărcare a bateriei la curenţi mari, la -17,8ºC.

600A

550A 415A

340A 305A 210A


2.4. Supercondensatorul, alternativă a bateriei. Supercondensatoarele sunt astăzi, în unele aplicaţii, inclusiv în aplicaţii auto, alternativa

la utilizarea bateriilor pentru stocarea energiei [1], [26]. Sunt utilizate astăzi supercondensatoare la: pornirea motoarelor cu combustie internă; stocarea energiei recuperate la frânare şi coborârea pantelor şi utilizarea ei la accelerare în automobilele electrice sau hibride [12]; alimentarea airbag-urilor laterale ca sursă de energie independentă de sursa centrală; sursele de alimentare ale sistemelor multimedia [19].

2.4.1. Construcţia şi parametrii supercondensatoarelor

Supercondensatorul (ultracapacitorul) este un condensator electrochimic care prezintă o

densitate de energie mult mai mare (de câteva mii de ori) decât condensatoarele electrolitice de cea mai mare capacitate.

În principiu, un supercondensator electric constă într-o structură cu strat dublu cu suprafaţă foarte mare şi distanţă de separaţie foarte mică (de ordinul nanometrilor), ambii parametri contribuind la obţinerea capacităţii foarte mari. Totuşi, tensiunea dintre cele două straturi este mică şi de aceea pentru realizarea unor supercapacitoare care să lucreze la tensiuni mai mari este necesară înserierea mai multor celule [3].

Rezistenţa internă a supercondensatorului este foarte mică, motiv pentru care, încărcarea şi descărcarea acestuia se face foarte rapid. Descărcarea rapidă a unei cantităţi relativ mari de energie înseamnă de fapt putere mare pentru un timp scurt.

În modelul supercondensatorului (Fig.2.3.) Rc este rezistenţa serie (mΩ - zeci de mΩ, inductanţa serie Lc (ce depinde de construcţie) poate fi ignorată la operare la joasă frecvenţă ca şi rezistenţa de pierderi Rp la funcţionări de scurtă durată. La supercondensatoarele actuale, curentul de scurgere pentru o capacitate de peste 500F este mai mic de 10mA iar curentul de încărcare/ descărcare de sute de amperi.

2.4.2. Încărcarea supercondensatoarelor

Dacă descărcarea rapidă a supercondensatoarelor este benefică în aplicaţiile unde se cere putere mare pe durată mică totuşi, o provocare a supercondensatoarelor o reprezintă încărcarea acestora, mai ales atunci când sunt complet descărcate (când se prezintă practic ca un scurtcircuit). Încărcarea cu circuite liniare a supercondensatoarelor se face cu randament foarte scăzut de cca 49%. Aternativa la sistemul de încărcare cu circuite liniare a supercondensatorului este SMPS.

Sisteme de încărcare tip buck converter La aceste sisteme, tensiunea finală pe supercondensator este mai mică decât cea de la

intrare dar poate ajunge până în imediata apropiere a tensiunii de intrare. În circuitul de încărcare din Fig.2.4. [8], curentul prin bobină, măsurat cu un senzor de

curent, este comparat cu două niveluri prestabilite, unul de minim şi altul de maxim. Depăşirea pragului maxim al comparatorului corespunzător va comuta bistabilului RS în

starea 0 care deschide comutatorul static. Scăderea curentului prin bobină sub valoarea minimă a comparatorului corespunzător va comuta bistabilul în starea 1 care închide comutatorul static. Tensiunea finală pe supercapacitor este stabilită de tensiunea de referinţă de la intrarea celui de-al treilea comparator.

Rc

Rp

Lc C

Fig.2.3. Modelul circuitului de ordinul I al supercondensatorului.


Încărcător pentru supercondensatoare realizat cu controlerul sincron de mare eficienţă buck-boost cu 4 comutatoare LTC3780

Circuitul LTC3780 controler de curent poate lucra în modurile buck, buck-boost sau boost; acceptă la intrare tensiuni în domeniul 4-36V iar domeniul tensiunilor de ieşire este 0,8-30V.

Circuitul (Fig.2.5.) utilizează un rezistor RSENSE ca traductor de curent. Curentul prin bobina L este controlat prin tensiunea pe pinul ITH. Pe pinul VOSENSE se aplică semnalul de tensiune de reacţie cules de pe divizorul rezistiv R1-R2, tensiunea la ieşire fiind dată de formula ( )12OUT /RRVV +⋅= 18,0 .

INTVCC este tensiunea internă stabilizată de 6V pentru alimentarea etajelor pilot ale tranzistoarelor MOSFET şi circuitele interne de comandă. Funcţionarea circuitului este invalidată prin aducerea pinului RUN la nivel scăzut. Atunci când pinul RUN se află la o tensiune mai mare de 1,5V dar mai mică decât INTVCC, condensatorul extern CSS se încarcă lent de la 0 la 2,4V ce previne curenţii abrupţi absorbiţi de la sursă.

Când tensiunea pe pinul FCB este sub VINTVCC-1V, dar mai mare decât 0,8V,

controlerul intră în modul de operare Burst în funcţionarea boost.. Modul Burst stabileşte nivelul minim al curentului de ieşire înainte de a inhiba comutatorul C şi deschide comutatorul sincron D atunci când curentul prin diodă devine negativ. Această combinaţie de cerinţe, la curent mic, va forţa tensiunea pe pinul ITH sub pragul de tensiune care temporar va inhiba închiderea

Fig.2.5. Configuraţia tipică a circuitului regulator de tensiune realizat cu circuitul integrat LTC3780.

Figura 2.4. Schema de principiu a circuitului cu buclă de reacţie pentru încărcarea

supercondensatoarelor.


comutatoarelor C şi D până când tensiunea la ieşire scade. Un histerezis de 100ms produce semnale de ieşire la MOSFET-urile C şi D pe care le deschide pentru câteva cicluri, urmate apoi de un interval variabil sleep dependent de curentul de sarcină. Valoarea maximă a ondulaţiei de tensiune la ieşire este limitată la 3% din tensiunea continuă de la ieşire, ce este determinată de divizorul rezistiv de pe reacţie.

Circuit pentru încărcarea supercondensatoarelor realizat cu circuitul încărcător pentru condensatoare / regulator de tensiune înaltă, LT3751

Circuitul LT3751, Fig.2.6., este utilizat în modul Încărcător prin aplicarea unei tensiuni

pe terminalul FB cuprinse în intervalul 0-1,16V.

Curentul absorbit de la sursă este monitorizat prin măsurarea căderii de tensiune pe

RSENSE la pinii CSP şi CSN. Funcţionarea prezintă 4 faze: • Faza iniţială: Pornirea; este iniţiată după 2µs după ce terminalul CHARGE este pus pe 1. Bistabilul master intern trece în starea 1 deschizând tranzistorul NMOS extern ce permite începerea primului ciclu. Bistabilul rămâne în starea 1 până când tensiunea de ieşire atinge valoarea prescrisă sau până când se întâlneşte o condiţie de eroare. • Faza 1: Prima parte a încărcării; la bornele primarului transformatorului se stabileşte tensiunea VTRANS-VDS(ON). Curentul prin primarul transformatorului va fi liniar crescător cu panta (VTRANS-VDS(ON))/LPRI. Tensiunea din primar este oglindită în secundar -N·(VTRANS-VDS(ON)) şi polarizează invers dioda prevenind circulaţia curentului prin înfăşurarea secundară. În acest fel energia este conservată în miezul magnetic. • Faza 2: Transferul secundar al energie; la atingerea valorii limită a curentului (106mV/RSENSE), tranzistorul NMOS se blochează. Energia magnetică stocată în miezul transformatorului este transformată în energie electrică în secundar. Tensiunea din secundar polarizează direct dioda prin care trece curentul de încărcare. La atingerea valorii prescrise la ieşire, tranzistorul pilot NMOS se deblochează şi se trece în faza următoare. • Faza 3: Modul de detecţie discontinuu; în faza 2, în primar apare tensiunea (VOUT+VDIODE)/N iar după eliberarea energiei transformatorului, tensiunea din secundar se stabilizează; ca urmare tensiunea la bornele primarului se anulează, iar potenţialul din drena tranzistorului pilot scade la valoarea VTRANS. La atingerea valorii VTRANS+20µA·RDCM bistabilul ce comandă tranzistorul pilot extern NMOS este setat, reintrându-se în faza a 1-a.

Figura 2.6. Montajul tipic al încărcătorului de condensatoare realizat cu circuitul LT3751.

RSENSE

VOUT


CAPITOLUL III. SUBSISTEMUL DE PORNIRE A MOTORULUI CU COMBUSTIE INTERNĂ

Subsistemul de pornire al motorului cu combustie internă face parte din sistemul de

tracţiune al autovehiculului. Componentele acestui sistem (Fig.3.1.) sunt: M - motorul de curent continuu; B - bateria; KStart – comutatorul de pornire; RC – releu de cuplare. M şi RC sunt inseparabile formând împreună demarorul (car starter).

La închiderea contactului KStart, bobina RC este alimentată de la baterie iar contactul său se închide şi permite alimentarea demarorului cu un curent de circa 200-300A. La atingerea turaţiei de automenţinere, curentul absorbit scade la valori de ordinul zecilor de amperi, iar demarorul este deconectat de la baterie prin deschiderea contactului RC cu ajutorul unui mecanism inerţial. 3.1. Demarorul

Demarorul este un motor de curent continuu cu excitaţie serie, care iniţiază rotirea motorului cu ardere internă până la turaţia de la care acesta îşi poate întreţine funcţionarea. Este dimensionat pentru un curent mare (sute de amperi) deci cuplu mare, pe durată mică (secunde).

Alimentarea demarorului la sistemele convenţionale se face de la bateria automobilului, a cărei durată de viaţă este afecată datorită numărului şi profunzimii descărcărilor [20]. Funcţionarea demarorului este relevată de caracteristicile [37], [38]: tensiunii Uborne(Iabs) - A; turaţiei n(Iabs) - B; puterii utile Pu(Iabs) - C; cuplului M(Iabs) – D (Fig.3.2.).

Regimurile de funcţionare ale demarorului sunt: a) Scurtcircuit, caracterizat de valorile n=0, Iabs=Isc, M=Mmax, Pu=0; b) Sarcină, când motorul începe să se rotească, cuplul rezistent scade, se dezvoltă putere

care este maximă, pentru curentul absorbit Iabs=Isc/2; c) Mers în gol, când motorul a pornit, cuplul activ şi

puterea utilă a demarorului se anulează, curentul Igol fiind consumat doar pentru compensarea pierderilor demarorului.

Valorile parametrilor Isc, Igol, Usc, Ugol diferă funcţie de: puterea motorului şi a demarorului, starea de întreţinere şi uzura sistemului mecanic şi electric, temperatură, starea de descărcare a bateriei. Comportarea demarorului din punct de vedere electric, este definită de caracteristica A (Fig.3.2.) şi de durata procesului de pornire [30].

Rezistenţa echivalentă a demarorului pe durata procesului de pornire poate fi pus în relaţie cu curentul absorbit şi are valoarea dată de formula

( ) IIRUIR bbd /)( ⋅−= (3.1) unde Ub este tensiunea bateriei în gol şi Rb rezistenţa internă a bateriei.

3.2. Pornirea autovehiculului cu demarorul alimentat de la baterie 3.2.1. Simularea pornirii automobilului cu ajutorul bateriei Modelul bateriei În lucrarea s-a implementat modelul matematic al bateriei elaborat de Universitatea din

Massachusetts [18] care cuprinde: • Modelul capacităţii este descris de ecuaţia

Fig.3.1. Schema de principiu a sistemului de pornirea a motorului

cu combustie internă.

RC M B

KStart

RC

Iabs

A

B

C

Isc Igol

Usc

Ugol

Fig.3.2. Caracteristicile funcţionale ale demarorului.

Isc/2

D


Qmax(I)=qmax,0⋅k⋅c⋅T/(1-e-kT+c(k⋅T-1+e-kT)) [Ah] în care qmax,0 = 86,1031 Ah este capacitatea maximă, la un curent infinitezimal; k=0,5874 h-1 rată de încărcare/ descărcare; c = 0,3747 raportul capacităţii disponibile totale, T timpul de descărcare.

Dependenţa capacităţii bateriei de temperatură este definită de ecuaţia Qtº=Q25º/(1+0,008(25º-tº)) [Ah] , în care Q25° este capacitatea la 25°C, Qt° - capacitatea la temperatura t°. • Modelul tensiunii bateriei la încărcare/descărcare este descris de ecuaţia

E=E0+A⋅X+C⋅X/(D-X) în care E0 = 12,3097V/12,5978V - tensiunea bateriei complet încărcată; A = 0,8616V/-0,7077V - parametru care reflectă variaţia liniară iniţială a tensiunii interne a bateriei; C = 0,1798V/ -0,0823V - parametru ce reflectă creşterea/descreşterea tensiunii bateriei progresiv încărcată/descărcată; D = 1,0260/ 1,1311 - parametru ce reflectă creşterea/descreşterea tensiunii bateriei progresiv încărcată/descărcată; X - capacitatea normalizată la curentul dat, la încărcare descrisă în termeni de sacină existentă de ecuaţia X=q/qmax(I), iar la descărcare, în termeni de sarcină consumată de ecuaţia X= (qmax(I)-q)/qmax(I).

Modelul demarorului S-a luat în considerare, la comportarea demarorului la pornire, ecuaţia (3.1) şi valorile

parametrilor de intrare Isc, Igol şi td (durata demaraj) rezultând modelul dat de ecuaţia ( )( ) bgolscdscdbd RtIItItUR −⋅−−⋅⋅= / . (3.2)

Modelarea demarajului pe baterie Comportarea sistemului baterie – demaror cuplat la arborele motorului cu combustie

internă a fost simulată pe modelul implementat în LabView (Fig.3.3.) [30]. Energia consumată de demaror depinde de factori intrinseci (tipul motorului, tipul demarorului) şi extrinseci (uzura sistemului mecanic şi electric, calitatea întreţinerii motorului şi a uleiului, temperatura).

Pentru un ansamblu motor-demaror bine cunoscut, variabila ce determină energia necesară pornirii şi durata procesului de pornire, este temperatura. Cu modelul sistemului de demaraj pe baterie implementat în LabView, s-au simulat porniri la temperaturi din domeniul -20 ÷+40°C pentru câteva valori ale energiei utile şi Ub=12,6V, Rb=10mΩ, Isc=250A, Igol=40A,

Fig.3.3. Programul în LabView pentru simularea pornirii cu demaror alimentat de la baterie, a motorului cu combustie internă.


td=1s [41]. Rezultatele obţinute prin simulare au fost confirmate de cele obţinute ulterior în condiţii reale.

3.2.2. Experimente în condiţii reale Pentru realizarea experimentelor de pornire a

motorului cu combustie internă, am conceput un sistem de achiziţie şi comandă portabil, flexibil, uşor de instalat şi utilizat (Fig.3.4.) [32], [33].

Modulul de condiţionare şi execuţie, Fig.3.5., transformă tensiunea bateriei VB+ (0-15V) în mărimea analogică de intrare AI.VB (0-10V), curentul de sarcină ISt=IB (0-300A) în mărimea analogică de intrare AI.IB (0-10V), tensiunea de pe comutatorul de pornire a autovehiculului VKSt (0-15V) în mărime de intrarea digitală DI.KSt şi comandă alimentarea demarorului printr-un comutator static.

În schema electronică a modulului de condiţionare şi execuţie (Fig.3.6.), tensiunile pe baterie şi pe supercondensator VB+ respectiv VSC+ se divizează pe grupul R7-R9, respectiv R8-R16. pentru a se obţine semnalele de tensiune AI.Vb respectiv AI.Vsc. Curenţii furnizaţi de baterie şi supercondensator Ib respectiv Isc, sunt oglindiţi de tensiunile AI.VIb respectiv AI.VIsc (0-10V) de pe rezistenţele R5-R6 respectiv R2-R3. Comutatoarele statice Kb1 şi Kb2 respectiv Ksc1 şi Ksc2, sunt conectate în paralel pentru a extinde capabilitatea în curent la 330A. Tensiunea VKst (0-12V) comandă tranzistorului Q5 ce livrează prin colector 5V-0V.

Tranzistoarele Q1-Q3 respectiv Q2-Q4 (BTS555 din clasa PROFET) îndeplinesc rolul comutatoarelor de forţă Ksc1-Ksc2 respectiv Kb1-Kb2. Ele sunt comandate de semnalele DO.VKsc respectiv DO.VKb.

Tranzistorul BTS555, este un comutator static de curent mare (165A), bidirecţional cu: tensiunea de operare 5-34V; rezistenţa în conducţie (în ambele sensuri) 2,5mΩ; limitarea curentul de scurtcircuit la 520A; traductor de curent încorporat şi protecţie la supratensiune, suprasarcină, supratemperatură, alimentare inversă, ESD.

Modulul de achiziţie NI USB6009 utilizat, are caracteristicile: 8 intrări analogice (14 biţi, 48kS/s); 2 ieşiri analogice (12 biţi); 12 intrări/ ieşiri digitale (TTL/CMOS);1 temporizator (32 biţi la 5MHz); impedanţa de intrare a intrărilor analogice de 144kΩ; conectare la PC prin portul USB.

Pe PC/laptop rulează în LabView programul SoB (Start on Battery) pentru monitorizarea demarajului pe baterie ce conţine 3 module concurente: unul pentru achiziţia digitală destinat monitorizării intrării Kstart, unul pentru achiziţia analogică destinat monitorizării mărimilor VB şi IB şi altul pentru comanda digitală a comutatorului static Kb1,2. Modulele sunt interconectate prin variabilele Kstart şi Stop.

Fig.3.5. Modulul de condiţionare şi execuţie.

Ksc2

J2

Kb1 Kb2

Ksc1 J3

Fig.3.4. Schema sistemului de achiziţie şi comandă pentru

pornirea motorului cu bateria.

RC M B

KStart

RC

Modul de condiţionare şi execuţie

Modul de achiziţie NI USB6009

Laptop Laptop

LabView (SoB)

USB

VB+ VSt+

St

VKSt

IB ISt

AI.IB AI.VB DI.KSt DO.KB


Rezultate experimentale Din experimentele efectuate, pe sistemele clasice de pornire a motoarelor a două

autovehicule (Dacia 1310Li şi VW Golf 3) în condiţii similare de temperatură (cca -10°C), având acumulatoare de 44-45Ah cu durata de exploatare cca 7 ani, s-au desprins aspectele prezentate în Tab.3.1. Amprenta specifică a demarajului fiecărui sistem de pornire este prezentată în Fig. 3.7. Tab.3.1. Rezultate experimentale obţinute la pornirea autovehiculelor.

Parametrul Dacia 1300 Li VW Golf 3 Energia utilă Wu, kJ 0.94 – 2 1.5 – 1.65 Vârful puterii cedate Pmax, W 2363 - 2600 2877 – 2905 Durata cuplării demarorului, msec 20 - 30 30 - 31 Durata procesului de pornire tp, sec 0.8 – 1.45 1.2 – 1.35 Durata fazei 1 a regimului de scurtcircuit Tsc1, msec 22 – 31 29 – 43 Durata fazei 2 a regimului de scurtcircuit Tsc2, msec 134 – 193 145 – 180 Perioada vârfurilor de sarcină Ts, msec 145 -183 125-225 Durata regimului de mers în gol Tg, msec 35 – 69 200 – 220 Amplitudinea curentului de scurtcitcuit Isc, A 238 – 275 296 – 300 Amplitudinea curentului la începutul regimului de sarcină Is1, A 150 – 184 165 – 175 Amplitudinea curentului la sfârşitul regimului de sarcină Is2, A 115 – 141 80 – 90 Amplitudinea curentului la sfârşitul regimului de mers în gol Ig, A 38 – 54 60 – 64 Amplitudinea oscilaţiilor în prima fază a regimului de scurtcircuit Ivsc1, A 19 – 38 6 – 10 Amplitudinea oscilaţiilor în a doua fază a regimului de scurtcircuit Ivsc2, A 16 – 51 5 – 10 Amplitudinea oscilaţiilor în regimul de sarcină Ivs, A 44 – 63 22 – 25 Numărul de cicluri în regimul de sarcină n 2 - 5 4 - 5

Parametrii din Tab.3.1. sunt definiţi în Fig.3.8. Valorile lor depind în primul rând de

numărul pornirii succesive şi temperatură. Valori mai mari ale lui Tsc1, Tsc2, Ts, Ivsc1, Ivsc2 şi Ivs corespund primei porniri, la “rece”.

Din punct de vedere energetic datele obţinute prin modelare corespund cu datele experimentale, dar există o diferenţă între modelul utilizat şi comportarea reală referitoare la dinamica procesului, evidenţiat de alura diagramei reale I(t). Cu parametri identificaţi în Fig.3.8. şi valorilor lor din Tab.3.1., modelul iniţial (ecuaţia 3.2.) cu variaţie liniară a curentului de la Isc la Igol, poate fi ameliorat prin considerarea variaţiei neliniare a acestuia.

Fig.3.6. Schema electronică a modulului de condiţionare şi execuţie.

Q1

BC107BPR1

10kΩ

R21.0kΩ

La USB 6009

2

4

3,Tab

1,5

2

4

3,Tab

1,5

Ksc1BTS555

R3

1.0kΩ

Ksc2BTS555

Q2

BC107BP

R410kΩ

R51.0kΩ

2

4

3,Tab

1,5

2

4

3,Tab

1,5

Kb1BTS555

R6

1.0kΩ

Kb2BTS555

DO.VKsc

DO.Kb

AI.VIsc

AI.VIb

+SC

+BDC

R7

R8

DI.VKst

AI.Vb

AI.Vsc

J4

HDR1X4

DC

Q3

BC107BP

Q4BC107BP

R11

10kΩ

R12

10kΩ

LED1

LED2

LED3

R131.0kΩ

R141.0kΩ

R15

1.0kΩ

Q5

BC107BP

R10

10kΩ

J3

HDR1X2

J2

DSUB9F

VKst

VSC+

VB+

VDC

R9

4.7kΩ

R16 4.7kΩ

12k

12k


Astfel:

⋅⋅++⋅

+

−= t

TIIt

TT

III

SCVSCSC

SCSC

SCS

11

21

1

3

4sin

π, pe durata Tsc1,

−⋅⋅−+⋅

+

−= )(

2sin 1

22

21

1SC

SCVSCSC

SCSC

SCS TtT

IItTT

III

π, pe durata Tsc2,

( )( )

−−⋅⋅−+−−⋅

⋅+

−= )(

2sin

25.0 2112112

SCSCS

VSSSCSCS

SS TTtT

IITTtTn

III

π, pe durata (n+1/4)Ts

( ) VSSSSCSCg

Sg IITnTTtT

III −+⋅+−−−⋅

−= 221

2 )25.0( , pe intervalul Tg.

Pe baza modelului ameliorat al sistemului baterie–demaror implementat în LabView s-au obţinut semnalele din Fig.3.9. Astfel, la o pornire cu 4 cicluri de compresie/ detentă în sarcină, energia utilă şi vârful puterii maxime obţinute prin modelare diferă faţă de cea reală cu 0,81% respectiv 4,05% pentru următoarele valori medii ale parametrilor: Tsc1=24ms, Tsc2=148ms, Ts=149ms, Tg=55, Isc=260A, Is1=157A, Is2=127A, Ig=46, Ivsc1=29A, Ivsc2=29A, Ivs=50A.

3.3. Simularea pornirii automobilului cu ajutorul supercapacitorului

Cu modelul dezvoltat şi utilizând modelul supercondensatorului.

IRdt

dUCUU SC

SCSCSC −+= 0 ,

în care USC este tensiunea la bornele supercondensatorului, USC0 - tensiunea iniţială la bornele supercondensatorului, RSC – rezistenţa internă a supercondensatorului, C – capacitatea supercondensatorului, I – curentul de descărcare, s-a implementat în LabView programul de simulare a pornirii motorului cu ardere internă.

În Figura 3.10. sunt prezentate formele de undă ale curentului prin şi tensiunii pe demarorul alimentat de la supercondensator, la pornirea cu 4 cicluri în regim de sarcină.,

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

Time (sec)

Vol

tage

(V

)

0

50

100

150

200

250

300

350

Cur

rent

(A

)

U(t)

I(t)

Regim de scurtcircui

Regim de sarcină

Regim de mers în gol

Cuplare demaror

a) 0

2

4

6

8

10

12

14

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Time (sec)

Vol

tage

(V

)

0

50

100

150

200

250

300

350

Cur

rent

(A

)


Cuplare demaror

Regim de sarcină

Regim de scurtcircuit

I(t)

U(t

b)

Figura 3.7. Pornirea autovehiculelor cu demarorul alimentat de la baterie: a) VW Golf 3; b) Dacia 1310 Li.

Decuplare demaror

Decuplare demaror

b)

Ivsc1

Ivsc2

Tsc1

Tsc2

Ts

Tg

Ivs

Isc

Is1 Is2

Ig

Fig.3.8. Definirea parametrilor Tsc1, Tsc2, Ts, Tg, Isc, Is1, Is2, Ig, Ivsc1, Ivsc2, Ivs ai curentului la demaraj.


obţinute prin simulare.

Pentru determinarea domeniului de

valori al capacităţii şi rezistenţei interne a supercondensatorul destinat demarajului, am considerat o pornire pe baterie, relativ solicitantă (5 cicluri de compresie-detentă în sarcină), ce durează 1,09 secunde şi consumă o energie de 1,69kJ, cu parametrii: Tsc1=25ms, Tsc2=135ms, Ts=175ms, Tg=55, Isc=260A, Is1=160A, Is2=135A, Ig=45, Ivsc1=35A, Ivsc2=25A, Ivs=55A.

Pentru această durată a demarajului am simulat pornirea cu condensatoare cu capacităţi de 50F, 75F, 100F şi 125F, Rb=2-20mΩ, cu Rb=15mΩ şi USC0=Ub=12,6V. S-au obţinut caracteristicile energiei utile funcţie de rezistenţa internă a supercondensatorului, Wu(RSC), Fig.3.11.

Caracteristicile relevă faptul că supercondensatorul cu capacitatea de 50F, indiferent de rezistenţa sa internă, nu poate elibera energia necesară pornirii, cel de 75F numai pentru rezistenţe interne foarte mici iar cele de 100F şi 125F, pot asigura energia pentru rezistenţe interne sub 6mΩ respectiv 8mΩ. De remarcat faptul că modificarea rezistenţei interne are o influenţă mai mare decât modificarea capacităţii în furnizarea energiei utile cerute.

În Fig.3.12. sunt reprezentate dependenţele Wu(n) (n numărul de cicluri compresie-detentă) pentru supercondensatorul cu capacitatea C=100F şi câteva rezistenţe interne. Cu rezistenţa internă de 20mΩ nu poate asigura energia utilă nici pentru 3 cicluri; cel cu rezistenţa internă de 10mΩ poate asigura energia utilă la porniri cu până la 3 cicluri; pentru RSC=6mΩ, n=5 cicluri. Prin simulări suplimentare s-a putut determina numărul maxim de cicluri pentru rezistenţa internă de 4mΩ şi 2mΩ: n=7 respectiv n=8 cicluri.

I(t)/300A

U(t)/12.6V

Fig.3.9. Semnalele normalizate de tensiune şi curent obţinute prin simulare

pe modelul ameliorat.

Fig.3.10. Formele de undă ale curentului şi tensiunii normalizate pentru demarorul alimentat de un supercondensator cu

C=100F, RSC=2mΩ, obţinute prin simulare.

I(t)/300

U/12,6V

Rsc

900

1100

1300

1500

1700

1900

2100

3 4 5 6

Număr cicluri (durata demarajului)

Wu

(J)

2 mohmi

4 mohmi

6 mohmi

10 mohmi

20 mohmi

Baterie

Figura 3.12. Caracteristicile Wu(n) pentru diverse rezistenţe interne ale

supercondensatorului cu C=100F.

C

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Rsc (mohmi)

Wu

(J) 50F

75F

100F

125F

Baterie

Fig.3.11. Caracteristicile Wu(RSC) la pornirea motorului cu supercondensator.


CAPITOLUL IV. OPTIMIZAREA SUBSISTEMULUI DE PORNIRE A AUTOVEHICULELOR CE UTILIZEAZĂ SUPERCONDENSATOARE

Utilizarea supercapacitorului în tandem cu

bateria la pornirea motorului cu combustie internă, prezintă unele avantaje cum ar fi: posibilitatea de folosirea a bateriilor îmbătrânite, exploatate intensiv, descărcate parţial sau cu capacitate mai mică deci cu volum redus cu circa 10-30% respectiv greutate redusă cu circa 25-40%; extindere a duratei de viaţă a bateriei de 2-3 ori; îndeplinirea condiţiilor de mediu deoarece supercondensatorul nu emite substanţe nocive nici pe durata funcţionării şi nici a stocării [23].

Pe de altă parte, sistemul de management al demarajului propus în lucrare, prevede ca energia supercondensatorul să fie obţinută prin recuperare la frânare şi la coborârea pantelor [24].

4.1. Strategii de comandă a demarajului cu sursă de energie hibridă, baterie şi supercondensator

4.1.1. Strategia de comandă a demarajului, SC-B.MaxW

Acestă strategie presupune pornirea pe

supercondensator şi decuplarea acestuia sincron cu cuplarea bateriei în momentul în care energia consumată este egală cu energia estimată necesară pornirii, conform formulei

∫ =⋅⋅=ct

PLLC WdttItUW0

)()( ,

unde UL(t) este tensiunea pe sarcină, IL(t) – curentul prin sarcină [31].

Pot exista următoarele situaţii: - Energia cedată de supercondensator este cel puţin egală cu cea necesară pornirii, nemaifiind necesară comutarea pe baterie; - Energia cedată de supercondensator acoperă în cea mai mare parte energia necesară pornirii, Fig.4.1. Suplimentul energetic cerut de la baterie nu o solicită pe aceasta foarte mult; - Energia cedată de supercondensator acoperă doar o parte din energia necesară pornirii (Fig.4.2.); bateria fiind intens solicitată, efectul utilizării supercondensatorului este practic nul.

4.1.2. Strategia de comandă a demarajului, SC-B.MaxP

Alura curbelor puterii cedate de o baterie şi un supercondensator pe o sarcină constantă lucrând separat sau împreună (Fig.4.3.) relevă posibilitatea de obţinere a unui regim de lucru cu

0

1

2

3

4

56

7

8

9

1011

12

13

14

Time

Vol

tage

(V

)

0

20

40

60

80

100120

140

160

180

200220

240

260

280

Cur

rent

(A

)

Fig.4.1. Demaraj cu algoritmul SC-B.MaxW, cu energia supercondensatorului cu puţin

mai mică decât cea necesară pornirii.

tc

ISC(t) IB(t)

USC(t)

UB(t)

0123456789

1011121314

Time (sec)

Vol

tage

(V

)

020406080100120140160180200220240260280

Cur

rent

(A

)

Fig.4.2. Demaraj cu algoritmul SC-B.MaxW, cu energia supercapacitorului mai mică decât cea necesară pornirii.

tc

ISC(t)

IB(t)

USC(t)

UB(t)

Fig.4.3. Puterile cedate pe o sarcină constantă de supercondensator şi/sau baterie, în cazul

rezistenţei mici a supercondensatorului.


putere maximală debitată pe sarcină [31]. Pentru valori mici ale rezistenţei interne a supercondensatorului, surplusul de putere la pornire, este convenabil să fie asigurat, în prima fază, de supercondensator conectat singur la sarcină.

La sistemul hibrid baterie-supercondensator corespunzător figurii 4.3., comutarea de pe supercondensator pe baterie se face în momentul în care puterea cedată de supercondensator egalează puterea estimată cedată de baterie, când UBe(tc)=UL(tc)=USC(tc), respectiv IBe(tc)= IL(tc)=ISC(tc), unde UBe şi IBe reprezintă tensiunea respectiv curentul estimat al bateriei, UL şi IL tensiunea respectiv curentul prin sarcina constantă, USC şi ISC tensiunea respectiv curentul prin supercondensator.

Pentru a determina gradul de adecvare al strategiilor, am conceput doi parametri: randamentul de utilizare (ηU) şi raportul puterilor maxime (rPmax).

Randamentul de utilizare a energiei stocate în supercondensator este definit ca raportul procentual dintre energia supercondensatorului utilizată pe durata pornirii, WU, şi energia totală stocată în supercondensator, WT,

100/ ⋅= TUU WWη [%].

Pentru parametrii constanţi UB0 - tensiunea în gol la bornele bateriei, USC0 – tensiunea iniţială în gol la bornele supercondensatorului, RL – rezistenţa de sarcină, RSC – rezistenţa internă a supercondensatorului şi RB – rezistenţa internă a bateriei, randamentul de utilizare a energiei electrice în cazul strategiei SC-B.MaxP va fi

( ) ( )( )[ ] 100//1 200., ⋅+⋅+−=− SCBLBSCLPMaxBSCU URRURRη (4.1),

iar dependenţele de parametrii UB0, USC0, RL, RSC, RB reprezentate în Fig.4.4. Raportul puterilor maxime cedate sarcinii de supercondensator şi baterie la pornire se

calculează cu formula

( ) ( )( )20000max,

/// BSCLBLSCBSCBSCP URRRRUPPr ++⋅==−

(4.2),

unde PSC0 - puterea maximă debitată de supercondensator iar PB0 - puterea maximă debitată de baterie şi exprimă capabilitatea supercondensatorului de a asigura un surplus de putere.

Din analiza parametrilor se poate trage concluzia că strategia SC-B.MaxP este adecvată: utilizării bateriilor uşor degradate sau care lucrează la temperatură scăzută (cu rezistenţa internă mare) sau încărcate parţial (cu tensiune mică la borne); funcţionării demarorului în regim de scurtcircuit; utilizării de supercapacitoare cu valoare mică a rezistenţei interne (<16mΩ) şi încărcării acestora la tensiuni mari.

Randamentul de utilizare maxim este de 72,67% iar raportul puterilor maxime 3,66 pentru: RB=20mΩ; RL=30 mΩ; UB0=11,6V; USC0=14,2V; RSC= 2mΩ.

Dimensionarea supercondensatorului funcţie de energia cerută la pornire, WP, astfel încât pornirea să fie făcută integral de supercondensator se face cu formula

( ) ( ) 100/ ., ⋅⋅⋅+= − MaxPBSCULPLSCSC RWRRW η

(4.3),

Time

RL

Figura 4.5. Variaţia rezistenţei echivalente a demarorului pe durata pornirii.

Regim de scurtcircuit

Regim de sarcină


0

10

20

30

40

50

60

70

%

Fig.4.4. Curbele randamentului de utilizare în cazul strategiei SC-B.MaxP.

η(RB)

η(RSC)

η(RL) η(USC0)

η(UB0)


unde WSC este energia supercondensatorului (din catalog) iar ηU,SC-B.MaxP dat de formula 4.1. Deşi în situaţia reală rezistenţa demarorului are alura din Figura 4.5., principiul

conducerii după criteriul impus rămânând acelaşi. Deconectarea supercondensatorului şi cuplarea bateriei se face atunci când curentul dat de supercondensator egalează curentul estimat IBe(t) ce poate fi debitat de baterie lucrând singură, dat de formula

( ))()(/)()( 0 tUtIRtIUtI LLBLBBe +⋅⋅= ,

unde UL(t) – tensiunea la bornele sarcinii şi IL(t) curentul prin sarcină, valori instantanee. Pentru maximizarea randamentului de utilizare se recomandă întârzierea comutării de pe

supercondensator pe baterie (Fig.4.6.). Deşi în intervalele t1-t2, t3-t4, USC(t)<UBe(t) respectiv ISC(t)<IBe(t), stabilizarea relaţiilor se realizează abia după momentul t5. Verificarea relaţiei pe o durată egală cu perioada medie a vârfurilor de sarcină face ca abia la momentul t6 comutarea de pe supercondensator pe baterie să fie oportună. Determinarea perioadei vârfurilor de sarcină Ts este făcută într-o rutină dedicată.

4.1.3. Strategia de comandă a demarajului, BSC-B.MaxP

Pentru valori mari ale rezistenţei interne a supercondensatorului, surplusul de putere nu

poate fi asigurat decât de supercondensator legat în paralel cu bateria în faza iniţială. Evoluţia curenţilor din schema

echivalentă (Fig.4.7.) debitaţi/ primiţi de baterie şi supercondensator, pentru parametrii UB0, USC0, RL, RSC şi RB constanţi este reprezentată în Fig.4.8. În prima fază, 0-t1, supercondensatorul debitează pe sarcină şi baterie, IB=IB1. În a doua fază, t1-t2, bateria şi supercondensatorul debitează împreună pe sarcină, iar în faza a treia, t>t2, bateria debitează singură pe sarcină.

În momentul t1 se anulează curentul prin baterie, iar în momentul t2 se anulează curentul prin supercondensator, IL = IB, iar

( ) 0/ BLBLBeSCBL URRRUUU U ⋅+====

. Pentru RL=const., nu are sens deconectarea supercondensatorului. În condiţii reale însă,

când rezistenţa de sarcină are alura din Fig.4.5., este necesară deconectarea supercondensatorului.

Randamentului de utilizare pentru strategia BSC-B.MaxP este

( )( ) 100//1 200., ⋅+⋅−=− BLLSCBPMaxBBSCU RRRUUη ,

iar raportul puterilor maxime

( )( ) ( ) ( )( )200

200., ||/||/||/||// SCLBLBBSCBLSCLSCLBLBBSCPMaxBBSCPMax RRRRRUURRRRRRRRPPr +⋅−++==−

unde PBSC0 este puterea maximă a tandemului baterie - supercondensator, iar PB0 este puterea maximă debitată de baterie conectată singură la sarcină.

Dependenţele randamentului de utilizare şi raportul puterilor maxime strategiei BSC-B.MaxP au aluri asemănătoare cu cele ale strategiei SC-B.MaxP, dar la niveluri inferioare. Strategia BSC-B.MaxP poate fi alternativa strategiei SC-B.MaxP, pentru rezistenţe ale supercondensatorului mai mari de 16mΩ, pentru care randamentul de utilizare al strategiei SC-B.MaxP este 0%. Randamentul de utilizare maxim este de 26% iar raportul puterilor maxime 2,15 pentru următoarele valori ale parametrilor: RB=20mΩ; RL=30 mΩ; UB0=11,6V; USC0=14,2V; RSC=2mΩ.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Time (sec)

Cur

rent

(A

)

0

2

4

6

8

10

12

14

Vol

tage

(V

)

Fig. 4.6. Diagramele USC(t), ISC(t) pentru SC-B.MaxP şi UBe(t), IBe(t) pentru pornirea clasică.

IBe(t)

USC(t)

ISC(t)

UBe(t) t1 t2 t3 t4 t5 t6


Când rezistenţa bateriei este mai mică decât cea estimată (datorită temperaturii scăzute, a descărcării profunde sau uzurii acesteia), poate să apară comutarea prematură, tc<t2 (Fig.4.9.). Pentru evitarea acesteia se poate aplica una din soluţiile: - decuplarea supercondensatorul cu o întârziere egală cu perioada medie a vârfurilor de sarcină; - decuplarea supercondensatorului în momentul în care curentul livrat de el se anulează.

4.1.4. Actualizarea parametrilor RSC şi RB Deoarece RSC şi RB (ce-şi modifică valoarea funcţie de numărul de cicluri de încărcare/ descărcare sau prin înlocuire) sunt parametrii de care depinde alegerea strategiei şi momentul comutării, este obligatorie actualizarea lor. Uzura bateriei duce la creşterea randamentului de utilizare şi a raportului puterilor maxime pentru ambele strategii, ca urmare a creşterii lui RB. Determinarea valorilor rezistenţelor se va face în momentul cuplării lor în sarcină. 4.1.5. Maximizarea parametrilor ηU şi rPmax

Pentru ambele strategii, parametrii ηU şi rPmax, pot fi amelioraţi prin creşterea tensiunii pe supercondensator. Astfel, pentru o tensiune de 16,2V (de la 6 supercondensatoare cu tensiune nominală 2.7V înseriate) se pot obţine, în cazul strategiei SC-B.MaxP valorile ηU,SC-B.Pmax=79% şi rPMAx.SC-B.Pmax=4,76 iar în cazul strategiei BSC-B.MaxP, valorile ηU,SC-B.Pmax=32,53% şi rPMAx.SC-B.Pmax=2,74.

Pentru obţinerea acestei tensiuni se utilizează convertorul c.c.-c.c. ridicător de tensiune 12V(14,2V) - 16,2V cu CI LTC3780 (Fig.2.5.). Prin deconectarea lui CSS, conectarea pinului FCB la VINTVCC şi dimensionarea potrivită a componetelor circuitul va lucra în modul Burst-Boost cu randamentul de 98%. Componentele cheie ale circuitului, pentru o frecvenţă de operare de 400kHz, curent de ieşire de 6A şi supracreşteri ale curentului prin bobină de 20% au valorile: L=4,7µH, RSENSE=25mΩ, R1=20k, R2=385k, MOSFET A/B/C/D Siliconix Si4840 cu RDS(ON) = 9mΩ, CRSS = 150pF, θJA = 40°C/W.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Time

Vol

tage

(V

)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

Cur

rent

(A

)

tc

IB(t) ISC(t)

UB(t)

USCgol(t)

Figura 4.10. Comutarea prematură în cazul algoritmului BSC-B.MaxP.

USC(t) şi UB(t)

RS

RB

RL

UB

USCgo

ISC IL

IB

UL

Fig.4.7. Schema echivalentă a tandemului baterie –

supercapacitor.

IB1

t1 t2 0

ISC IB

IB+SC

IBe

Fig.4.8. Curenţii debitaţi/absorbiţi de baterie şi supercondensator în cazul

strategiei BSC-B.MaxP.

t

I


Încărcarea lentă a supercondensatorului se face cu ajutorul unui circuit de comandă a încărcărcării (Fig.4.11.) [25], [27], [28], [29]. Tensiunea la pinul SS este modulată astfel încât să se obţină profilul dorit al curentului de încărcare. Pentru supercondensator descărcat complet, tranzistoarele Q1, Q3, Q4 şi Q6 sunt închise iar Q2 şi Q5 sunt deschise. Pentru ON/OFF = ON, Q3 şi Q6 se deschid, circuitul LTC3780 este pornit. Condensatorul C2 furnizează rampa de tensiune iniţială pe pinul SS (Q4 închis), până la valoarea de 1,5V stabilită de divizorul rezistiv R7 şi R8, suficientă pentru a menţine circuitul LTC3780 în regimul de pornire lentă sub curent constant. Când tensiunea pe supercondensator este aproape de valoarea finală, comparatorul U1 comută pe nivel ridicat, Q4 se deschide iar pinul SS va fi polarizat cu 3V. Circuitul intră în modul tensiune pentru a ajunge rapid la tensiunea finală. Menţinerea regimului de încărcare lentă, cu curent mic, se face prin modularea tensiunii de referinţă VREF aplicată comparatorului U1.

4.1.6. Selecţia supercondensatorului

Deoarece comportarea adecvată a demarajului se realizează cu un supercondensator cu C=100F şi RSC≤6mΩ, se poate adopta modulul de supercondensatoare BMOD0110 P016 B01, (Fig.4.13) cu caracteristicile:

C, F

U, V

ESR, mΩ

Pd, kW/kg

Pmax, kW/kg

Emax, Wh/kg

Ileak, mA

Isc, A

Imax.cont A

G, kg

L, mm

l, mm

H, mm

110 16,2 5,4 2,3 6 1,49 1,5 3500 30 2,7 260 155 79

Cu acest supercondensator, randamentul de utilizare în cazul algoritmului SC-B.MaxP

este de 57,1%. Pentru o pornire obişnuită ce necesită o energie de cca 2kJ, supercondensatorul trebuie să înmagazineze o energie de 4,42kJ. Supercondensatorul adoptat poate înmagazina o energie de 14,48KJ, rezultând deci că pot fi realizate porniri mult mai severe (6,55kJ).

Cum necesarul de putere la pornirea pe baterie este de 2,3-2,9 kW, iar raportul puterilor maxime al strategiei este de 2,33 rezultă că puterea necesară impusă de strategie de 5,36 – 6,76 kW este mai mică decât puterea maximă disponibilă a supercondensatorul.

4.1.7. Selecţia traductorului de curent

Pentru măsurarea curentului alternatorului se poate utiliza senzorul Hall, CYHCS-K200-30A, fixat pe cablul alternatorului, cu parametrii: domeniul de măsură 0÷60A, tensiunea de alimentare +5V±5%, semnalul de ieşire +2,5V÷4,5V, precizia ≤1%, timpul de răspuns <3µs, temperatura de lucru -40 ÷ +85°C iar curent consumat 10mA.

Fig.4.12. Modulul de supercondensatoare

BMOD0110 P016 B01.

U1

Q1

Q2 Q3 Q4 Q5 Q6

Q7

R1

R2

R3R4 R5 R6

R7

R8

R9

R10 R11

C1

C2

de la pinul INTVcc

Vout

Vref

ON/OFF

R12

la pinul SS

la pinul RUN

Figura 4.11. Circuitul de comandă a pornirii încărcării supercondensatoarelor cu controlerul LTC3780.


4.2. Implementarea strategiilor de comandă a demarajului SC-B.MaxP şi BSC-B.MaxP pe platforma experimentală

Pentru verificarea strategiilor SC-B.MaxP şi BSC-B.MaxP s-a utilizat platforma de

achiziţie şi comandă concepută (Fig.3.4.), cu facilităţile conexe supercondensatorului, respectiv, măsurarea tensiunii pe supercondensator VSC+, a curentului livrat de supercondensator ISC, precum şi comanda comutatorului asociat KSC1,2. Algoritmii SC-B.MaxP şi BSC-B.MaxP au fost implementaţi în LabVIEW, programul având 3 module, dedicate mărimilor analogice de intrare, mărimilor digitale de intrare şi mărimilor digitale de ieşire, conectate prin variabilele Kstart şi Stop. Pe lângă funcţiile de achiziţie, vizualizare şi înregistrare, modulul de intrări analogice controlează funcţionarea modulului de ieşiri digitale prin variabila Traking. Modulul de ieşiri numerice controlează contactoarelor Kb1,2 dar şi Ksc1,2 de încărcare a supercondensatorului în regim de impulsuri.

4.3. Implementarea strategiilor de comandă a demarajului SC-B.MaxP şi BSC-B.MaxP într-un sistem cu microcontroler încorporat

4.3.1. Implementarea hardware

Se propune sistemul de conducere cu schema din Fig.4.15. [35] în care: SC –

supercondensator; B – baterie; RT – regulator de tensiune; RC – releu de cuplare; A – alternator; M –demaror; CÎ-St - circuit pentru încărcarea supercondensatorului SCSt de la 12V la 16,2V; TC – traductor al curentului alternatorului; CCo – circuit de condiţionare a semnalelor, µC – microcontroler, nucleul sistemului şi comutatoarele statice pentru :

pornire motor - Kstart, conectarea/ deconectarea supercondensatorului la/ de la demaror - KSC, conectarea/ deconectarea bateriei la/ de la demaror - KB, conectarea/ deconectarea bateriei la/ de la alternator - KIB, menţinerea alimentării releului de cuplare - KP, întrerupere a alimentării releului de cuplare - KS.

4.3.2. Implementarea software

În funcţionarea sistemului se pot identifica următoarele faze (Fig.4.14.): - Predemarajul, faza în care se află sistemul până în momentul Kstart⋅ KS=ON; motorul

TC

VIAlt KP

Fig.4.13. Schema bloc a sistemului de management al demarajului.

CCo+µC

RC

M =

RT A 3~

SCst B

KSC KB

KStart

USC

UB

VISC

KS

CÎ-St

ON/OFFSt VRE

VKSC VKB

VKS

VKP

VKSta

VKIB

KIB

VIB

KP


autovehiculului este oprit, supercondensatorul (pe perioadă τm) este menţinut încărcat la valoarea 16,2V prin CÎ-St iar contactele KB şi KSC sunt deschise; - Demarajul, în care se intră prin Kstart=ON (tpk), KP=ON şi KS=ON; durata demarajului este controlată de KS; în cazul strategiei SC-B.MaxP, KB=False şi KSC=True iar în cazul strategiei BSC-B.MaxP, KB= True şi KSC=True, în ambele cazuri până în momentul tc, corespunzător comutării; din momentul tc, KB= True şi KSC= False; la momentul tod, când demarorul intră în regim de mers în gol, se comandă KS=False, Kp=False, KB=False şi KSC=False. - Postdemarajul, cu motor în funcţionare şi KB=KSC=OFF. Este caracterizată de 3 regimuri de lucru: 1. Normal, autovehiculul rulează cu viteză relativ constantă, pedala de acceleraţie uşor apăsată, CHARGE=OFF; 2. Accelerare, CHARGE=OFF pentru a suplimentarea puterii motorului; 3. Recuperare, (pe durata τî1,2 CHARGE=ON); regimul corespunde frănării şi coborârii pantelor; dacă curentul debitat de alternator se apropie de valoarea maximă (caracteristica Ialt(n), Figura 2.2.) se comandă micşorarea curentului de încărcare a supercondensatorului SCSt.

KB

tpk

tc

τî1 τm

tok

KSC

Kstart

Fig.4.14. Diagrama temporală a algoritmului de conducere SC-B.MaxP.

tod

Predemaraj Demaraj Postdemaraj

KP

CHARGE ON/OFF

KS τî2


CAPITOLUL V. SUBSISTEMUL DE MANAGEMENT AL PREÎNCĂLZITORULUI CONVERTORULUI CATALITIC

5.1. Subsistemul de reglare a compoziţiei amestecului combustibil

Acest subsistem face parte din sistemul de management al motorului şi are funcţia de a

menţine raportul aer/ combustibil cât mai aproape de valoarea stoichiometrică (14,7/1). Informaţia despre conţinutul de oxigen al gazelor eşapate (dată de senzorului lambda montat în amonte de convertorul catalic), precum şi informaţiile despre cantitatea şi temperatura aerul pentru combustie, poziţia clapetei de admisie a amestecului combustibil şi presiunea din camera de admisie, permit reglarea adecvată a injecţiei cantităţii corespunzătoare de combustibil. Bucla de reglare a raportului aer/ combustibil previne supraîncălzirea convertorului catalitic şi asigură funcţionarea optimă a motorului la pornirea, la rece, la sarcini moderate şi mari, la acceleraţie şi deceleraţie.

Un element cheie pe traseul de evacuare al gazelor arse este convertorul catalic (catalizatorul), care are rolul de a reduce emisiile de combustibilul nears şi CO prin transformarea lor în CO2 şi H2O de către catalizatorii de paladiu şi platină; catalizatorii trivalenţi (platina şi rodiu) transformă oxizii de azot în azot şi oxigen [5].

Temperatura la care lucrează catalizatorul este de 750°C (900°C pentru catalizatoarele de fabricaţie mai recentă) şi este influenţată de conţinutul de CO din gazele eşapate, ce nu trebuie să depăşească un anumit prag pentru a preveni supraîncălzirea catalizatorului.

5.2. Schema bloc a subsistemului de management al preîncălzitorului convertorului catalitic.

Subsistemul de management al preîncălzirii catalizatorului propus, are în structură un

supercondensator, prin descărcarea căruia pe o rezistenţă, se aduce rapid la temperatura minimă de lucru (250°C) convertorul catalitic. În absenţa preîncălzirii, în intervalul de timp de la pornire până la atingerea temperaturii optime de lucru a catalizatorului, se emite în atmosferă cea mai mare parte din cantitatea de noxe produsă de autovehicul. Cu preîncălzire, cantitatea de noxe emise se micşorează substanţial, catalizatorul lucrând aproape de regimul nominal încă de la pornirea motorului.

Energia electrică acumulată în supercondensator este dată de alternator în regimurile Normal şi Recuperare. În regimul Accelerare, supercondensatorul este deconectat de la alternator, iar pe perioada staţionării (Predemaraj) este menţinut încărcat de bateria autovehiculului.

Subsistemul (Fig.5.1.) are în componenţă: RPÎ - rezistenţa de preîncălzire; SCPÎ -

supercondensatorul dedicat preîncălzirii; TT - traductor de temperatură; KPÎ - comutator static

ON/OFF

Alternator RPÎ

KIB

KPÎ

SCPÎ

µC

Fig.5.1. Schema bloc a subsistemului de management a preîncălzirii catalizatorului.

CÎ-PÎ

TT

Vtemp

LSPÎ

USCPÎ VKPÎ

KM

VK


de conectare la/, deconectare/ de la supercondensator a rezistenţei; KM - comutatorul de pornire al autovehiculului, poziţia funcţionare motor; CÎ-PÎ – circuit de încărcare a supercondensatorului dedicat preîncălzirii; LSPÎ – lampă (LED) de semnalizare a preîncălzirii catalizatorului; µC - microcontrolerul sistemului de management al energiei.

Funcţie de temperatura iniţială a catalizatorului, SCPÎ se descarcă complet sau parţial prin RPÎ, înainte de pornirea motorului. Perioada descărcării este semnalizată prin aprinderea lămpii LSPÎ şi condiţionează demarajul prin controlul comutatorului KS (subsistemul de demaraj).

5.3. Selecţia componentelor subsistemului

5.3.1. Selecţia supercondensatorului

Pentru un catalizator metalic cu volum standard 1 litru, cantitatea de energie necesară creşterii temperaturii cu 250°C este

kJKKkgJdmdmkgtcVW Ct 100250/5001/8,0 33250 =°⋅°⋅⋅=∆⋅⋅⋅=°=∆ ρ ,

unde ρ este densitatea materialului, V – volumul catalizatorului, c căldura specifică a materialului iar ∆t – creşterea de temperatură.

Pentru un catalizator ceramic, cantitatea de energie necesară preîncălzirii este

kJKKkgJdmdmkgtccVW aercerCt 36,133250/)10108

71465

8

1(1/5,0)

8

7

8

1( 33

250 =°⋅°⋅+⋅⋅⋅=∆⋅+⋅⋅=°=∆ ρ

unde ccer este căldura specifică a ceramicii iar caer cea a aerului. Energia necesară preîncălzirii poate fi obţinută de la un modul de supercapacitoare

BMOD0165 P048 Maxwell, cu următoarele caracteristici:

C (F)

U (V)

ESR,dc (mΩ)

to

(°C) P

(W/kg) W

(Wh/kg) Ileak

(mA) Iscc (A)

Imax,cc (A)

165 48,6 7,1 -40÷65 3200 3,81 5,2 4800 150

Acest supercapacitor poate livra o energie de 194kJ atunci când se descarcă de la 48,6V la 0V, acoperitoare pentru ambele tipuri de catalizatoare.

5.3.2. Selecţia componentelor convertorului cc-cc 12-48,6V

Convertorul c.c.-c.c. ridicător de tensiune este bazat pe circuitul LT3751 (Fig.2.6.), ce lucrează în modul Controler încărcător de condensatoare (prin aplicarea unei tensiuni pe terminalul FB cuprinsă în intervalul 0-1,16V).

Transformatorul utilizat are parametrii: N=3; IPRI(MAX)=10A, LPRI=10µH, pentru care vârful de curent din primar va fi de 4,86A.

Timpul de încărcare de la 0 la valoarea nominală de 48,6V va fi de 370÷395 minute la un randament al transformatorului de 70%. Deoarece, în general, nu toată energia înmagazinată de SCPÎ este utilizată, tensiunea de descărcare nu ajunge la 0V. Valoarea tensiunii finale Uf este

dată de formula CWcUU SCf ⋅⋅−= 220 , unde USC0 este tensiunea iniţială a

supercondensatorului (48,6V), Wc – energia consumată pentru preîncălzire (100kJ - 133kJ), C – capacitatea condensatorului (165F). Astfel, tensiunea finală pe supercondensator va fi 33,9V pentru catalizatoarele metalice, respectiv 27,4V pentru catalizatoarele ceramice. Cum variaţia tensiunii pe supercondensator la încărcare este aproximativ liniară, timpul de încărcare poate fi estimat cu formula ( ) 000 / SCfSCi UtUUt ⋅−= , unde t0 este timpul de încărcare de la 0V la

tensiunea finală USC0. Rezultă timpii de încărcare de 1h:52min – 2h în cazul catalizatoarelor metalice şi de 2h:43min – 2h:53min în cazul catalizatoarelor ceramice.

Rezistenţele cu rol în determinarea parametrilor specifici vor avea valorile: RVTRANS=40k; RDCM=18k; RVOUT=40k, RBG=2,37k.


Tranzistorul NMOS utilizat este FDS2582 cu ID=4,1V şi VDS(MAX)=150V, iar dioda ES1G cu IF(AV)=1A şi VRRM=400V.

5.3.3. Selecţia rezistenţei de preîncălzire

Dimensionarea rezistenţei de preîncălzire a catalizatorului se face cu formula ( )[ ]0/ln/ SCSCfdescPI UUCtR ⋅−= , unde USC0 - tensiunea iniţială pe supercondensator, USCf -

tensiunea finală pe supercondensator şi tdesc timpul de descărcare. Pentru un timp de descărcare de 20s, USC0=48,6V şi C=165F, în cazul catalizatorului metalic cu USCf=33,9V, valoarea rezistenţei este de 376mΩ iar pentru catalizatorul ceramic cu USCf=27,4V, valoarea rezistenţei de 212mΩ. În calcule se poate neglija puterea disipată pe rezistenţele interne ale supercondensatorului (7,1mΩ) şi contactorului static (2,5mΩ), mult mai mici decât rezistenţa RPÎ.

5.3.4. Selecţia traductorului de temperatură

Termocuplul de tip K, cu domeniul -200 ÷ +1250°C este potrivit pentru măsurarea temperaturii convertorului catalitic ce poate ajunge la 900°C. Pentru a evita utilizarea de cabluri şi cuple speciale se poate folosi un termocuplu de tip K conectat la un amplificator THAK 1250, cu următoarele caracteristici: tensiunea de alimentare 5-16V, semnalul la ieşire 0-5V pentru temperaturi între 0 şi 1250°C, precizie 2%, sensibilitatea 4mV/°C, curent consumat <10mA.

5.4. Funcţionarea subsistemului

5.4.1. Diagrama temporală de funcţionare a subsistemului

Faza de Predemaraj, Fig.5.2., KPÎ=OFF, KS=OFF, KM=OFF, Kstart=OFF, CHARGE=ON, corespunde regimului de menţinere al supercondensatorului (USCPÎ=48,6V). La momentul tppk (timp prepornire), KM=ON, se iniţiază procesul de preîncălzire a catalizatorului prin oprirea încărcării (CHARGE=OFF) şi descărcarea supercondensatorului pe rezistenţa de preîncălzire (KPÎ=ON). Pe durata preîncălzirii catalizatorului, pornirea motorului este invalidată de KS. După transferul energetic dintre SCPÎ şi RPÎ (tstart), KS=ON, KPÎ=OFF. Dacă şi Kstart=ON se intră în faza de demaraj, fază ce se încheie cu regimul de mers în gol al demarorului, când se opreşte alimentarea acestuia prin KS=OFF (tstop).

În regimul Acceleraţie, se opreşte încărcarea supercondensatorului SCPÎ pentru a permite motorului să utilizeze în întregime puterea disponibilă.

Estimarea momentului în care se poate opri descărcarea supercondensatorului SCPÎ se face astfel: • Se determină energia necesară încălzirii catalizatorului de la T0 până la 250°C, cu formula:

tpk tok

KPÎ

Kstart

Fig.5.2. Diagrama temporală de funcţionare a subsistemului de preîncălzire a catalizatorului.

tstart

Predemaraj Demaraj Postdemaraj

KM

CHARGE ON/OFF

KS

tstop

tppk

Acc


)250()250( 00 TKTcVWnec −⋅=−⋅⋅⋅= ρ (5.1) unde ρ este densitatea materialului, V – volumul catalizatorului, c - căldura specifică a materialului; pentru catalizatorul metalic K=400J/°K iar pentru cel ceramic K=533,44 J/°K; • Se determină energia totală înmagazinată în supercondensator pe baza tensiunii iniţiale în gol

la bornele supercondensatorului USCPI0, cu formula: 2/20SCPItot UCW ⋅= (5.2);

• Se calculează apoi, iterativ, după fiecare eşantionare energia consumată Wc pe baza tensiunii

la bornele supercondensatorului, USCPÎ, 2/2SCPItotc UCWW ⋅−= (5.3).

• Se compară Wc cu Wnec şi la coincidenţă se decuplează SCPÎ.

5.4.2. Algoritmul de conducere al subsistemului

În Fig.5.3. este prezentat algoritmul de comandă a subsistemului de preîncălzire a convertorului catalitic.

KS True

False

STOP ICE?

False

True

CHARGE=ON KPÎ=False

KM

CHARGE=OFF KPÎ=False

True

WC=Wnec False

True

False

Start

TPÎ, USCPÎ0

Calcul Wnec (formula 5.1) şi Wtot (formula 5.2); WC=0

Stop

KS=True KPÎ=False

1

1

Calcul Wc cu formula (5.3)

CHARGE=OFF KPÎ=True

Fig.5.3. Algoritmul de comandă a sistemului de preîncălzire a catalizatorului.

True

2

USCPI = 48,6V

2

USCPÎ

3

3

False

Acc

True

False


CAPITOLUL VI. SUBSISTEMUL DE MANAGEMENT AL ENERGIEI AUTOVEHICULULUI (SME)

6.1. Modulul de control al motorului autovehiculului (ECM)

ECM face parte din sistemul de tracţiune al autovehiculului şi este unul din cele mai

complexe sisteme de conducere, fiind dezvoltat în jurul unui microcontroler puternic pe 16 biţi conectat la reţeaua CAN de mare viteză, Fig.6.1. Mulţi dintre parametrii achiziţionaţi de ECM sunt utilizaţi şi de alte subsisteme prin intermediul magistralei CAN. Trei dintre parametrii protocolaţi pe magistrala CAN, viteza autovehiculului (Vehicle Speed), turaţia motorului (CrankShaft Signal) şi nivelul de apăsare al pedalei de acceleraţie (Pedal Position), sunt utilizaţi şi în SME.. Ei pot fi preluaţi de pe magistrala CAN, în modul ascultare sau prin serviciul ReadObject cu solicitarea de date controlerului ECM prin mesaje Remote.

În cazul inexistenţei sau inaccesibilităţii ECM, parametrii pot fi preluaţi direct de la senzorii dedicaţi; viteza de la senzorul Reed (sau optic sau inductiv) montat pe cablul vitezometrului; turaţia motorului de la senzorul inductiv montat pe axul motorului; poziţia pedalei de acceleraţie de la senzorul rezistiv (sau Hall) montat pe pedala de acceleraţie.

Informaţia despre acceleraţie poate fi furnizată şi de senzorului de poziţie al clapetei de admisie a amestecului combustibil (TPS).

6.2. Funcţiile şi structura sistemului modernizat de management al energiei autovehiculului

Concepţia SME a vizat două cerinţe majore actuale, respectiv utilizarea eficientă a

energiei şi protecţia mediului. Subsistemul are în nucleu un microcontroler şi include cele două subsisteme funcţionale sintetizate: subsistemul de management al demarajului (SMD) şi subsistemul de management al preîncălzirii convertorului catalitic (SMPCC).

SME identifică starea motorului autovehiculului (Pornit/ Oprit) şi regimul de lucru (Normal/ Recuperare/ Accelerare) pe baza informaţiilor primite de la ECU, prin reţeaua CAN (varianta 1 – Fig.6.2.), sau direct de la senzori (varianta 2), despre parametrii viteză (v), turaţie (n), pedală de acceleraţie neapăsată (pan) şi apăsare pedală de acceleraţie (apa). Informaţiile despre stare şi regim sunt utilizate şi de modulele SMD şi SMPCC.

6.3. Funcţionarea şi algoritmul de comandă al sistemului modernizat de management al energiei autovehiculului

SME determină starea şi regimul de funcţionare al autovehiculului şi apelează apoi

secvenţial rutinele de deservire a SMD şi SMPCC (Fig.6.3.).

Fig.6.1. Schema bloc a ECM.


Starea Oprit/ Pornit este definită funcţie de turaţia motorului, regimurile Normal (autovehiculul staţionează dar motorul autovehiculului funcţionează sau autovehiculul se deplasează iar pedala de acceleraţie este apăsată), Recuperare (autovehiculul se deplasează cu motorul în funcţiune fără ca pedala de acceleraţie să fie apăsată - la coborârea pantelor sau la decelerare lentă când autovehiculul funcţionează în regim de frână de motor, când pedala de frână nu este apăsată, sau decelerare rapidă când se apasă şi pedala de frână) şi Acceleraţie (pedala de acceleraţie este apăsată profund), sunt definite de viteza autovehicului şi apăsarea pedalei de acceleraţie. În regim Acceleraţie sistemul deconectează supercondensatoarele SCSt şi SCPÎ precum şi bateria de la alternator, pentru a maximiza puterea disponibilă a motorului.

6.4. Implementarea algoritmului sistemului de management al energiei cu microcontrolerul PIC 18F4480/4580

6.4.1. Caracteristici ale microcontrolerelor PIC 18F4480/4580

Microcontrolerele din familia PIC 18F4X80 pe 40 pini au caracteristici corespunzătoare

aplicaţiilor auto, respectiv: moduri de lucru economice din punct de vedere energetic; structură flexibilă a oscilatorului; memoria de program (Flash) şi de date (EEPROM) cu număr de cicluri ştergere/ scriere şi retenţie mare; posibilitatea autoprogramării; niveluri de prioritate pentru întreruperi; multiplicator hardware 8x8 cicluri singulare; watchdog timer extins ; programare serială pe doi pini, în circuit, de la o singură sursă de alimentare de 5V (ICSP); depanare în circuit pe doi pini (ICD). Caracteristile perifericelor: curent absorbit/ livrat 25mA/25mA; 3 întreruperi externe; port serial sincron master (MSSP), ce suportă SPI pe 3 fire şi I2C modurile Master şi Slave; modul adresabil USART îmbunătăţit (suportă RS-485, RS-232 şi LIN/J6202); modul CAN îmbunătăţit; 5 porturi I/O bidirecţionale; 11 canale analogice cu convertor A/D pe 10 biţi cu 100ksps (capabilităţi de autoachiziţie, conversie disponibilă pe durata modului Sleep); 4 temporizatoare (unul pe 8 şi 3 pe 16 biţi); comparator dual cu intrări multiplexate.

Caracteristici electrice: domeniul tensiunii de alimentare VDD 2 -5,5V; tensiunea pe orice pin (cu excepţia pinilor VDD şi MCLR): VSS-0,3V ÷ VSS+ VDD+0,3V; tensiunea pe pinul VDD: VSS-0,3V ÷ VSS+ 7,5V; tensiunea pe pinul MCLR: VSS ÷ VSS+ 13,5V; puterea totală disipată: 1W; curentul maxim de ieşire/ intrare prin pinul VSS: 300mA/ 250mA; curentul de intrare limită (VI<0 sau VI>VDD): ±20mA; curentul de ieşire limită (VO<0 sau VO>VDD): ±20mA; curentul maxim de ieşire absorbit/ livrat de oricare pin I/O: 25mA; curentul maxim de ieşire absorbit/ livrat de toate porturile: 200mA.

6.4.2. Modulul convertor A/D

Modulul convertor analog-digital (A/D) dispune de 11 intrări şi permite conversia intrărilor analogice în mărimi digitale cu lungimea de 10 biţi. Fiecare pin al portului asociat convertorului A/D poate fi configurat ca intrare analogică sau intrare/ ieşire digitală.

SMPCC

R

AB

µC

SCAN

Fig.6.2. Schema bloc a sistemului de management al energiei autovehiculului, varianta 1.

ECU Sistemul clasic de demaraj

Sistemul clasic de management

al energiei

SME

RC

SMD


Tensiunea de referinţă este selectabilă software la valoarea tensiunii de alimentare AVDD/ VREF+ şi AVSS/ VREF- sau la nivelul tensiunii de pe pinii RA3/AN3/VREF+ şi RA2/AN2/VREF-/CVREF.

Pentru a realiza o conversie A/D se parcurg etapele: configurarea modulului convertor A/D; configurarea întreruperilor A/D; temporizarea cu un timp egal cu timpul de achiziţie (pentru o rezistenţă de ieşire a sursei de semnal RS=2,5kΩ, TACQ=12,86µs); pornirea conversiei; aşteptarea teminării conversiei; citirii registrului cu rezultatul conversiei A/D; pentru următoarea conversie, trecerea la punctul 1 sau 2 funcţie de cerinţe.

6.4.3. Modulul de tensiune de referinţă pentru comparatoare

Acest modul furnizează o tensiune de referinţă CVREF pentru comparatoarele microcontrolerului, obţinută prin divizarea pe o reţea rezistivă în 16 trepte. Deşi scopul principal al modulului este să furnizeze tensiunea de referinţă a comparatoarelor analogice, el poate fi utilizat independent de acestea ca ieşire analogică. Datorită capabilităţii limitate în curent, în acest caz trebuie utilizat un buffer.

6.4.4. Modulul ECAN (Enhanced CAN)

Modulul ECAN poate asigura viteză de comunicaţie programabilă de până la 1 Mbps şi suportă protocoalele CAN 1.2, CAN 2.0A, CAN 2.0B pasiv şi CAN 2.0B activ. El constă dintr-un motor de protocol şi un tampon pentru mesaje şi control. Secvenţa următoare ilustrează paşii necesari pentru iniţializare înainte ca modulul CAN să fie folosit pentru transmisie şi recepţie de mesaje.

• Iniţializare biţi LAT şi TRIS pentru RX şi TX CAN; • Asigurarea că modulul ECAN este în modul configurare; • Selecţiea modului operaţional pentru CAN; • Setarea registrelor Baud Rate; • Setarea registrelor Filter şi Mask; • Setarea modulului ECAN în modul normal sau oricare mod cerut de logica aplicaţiei.

Modul Configurare al modulului CAN poate fi selectat prin următoarea secvenţă:

v>0

False

pan True True

False

Preîncălzire

Demaraj

2

Fig.6.3. Algoritmul modulului principal al SME.

apa>>0

False

Regim = Acceleraţie KIB=False

True

3

3

Regim = Normal KIB=True

Regim = Recuperare KIB=True

START

nmotor>0 Stare = Pornit True

Stare = Oprit False

2

Citeşte de la ECU: nmotor

Citeşte de la ECU: v şi a


MOVLW H’80’

MOVWF CANCON ;seteaza bitul 7 din registrul CANCON

;Cererea de comutare nu poate fi onorata imediat modulul va astepta eliberarea

;magistralei CAN inainte de comutarea in modul Configurare

ConfigWait:

MOVF CANSTAT,W ;citeste starea modului curent

ANDLW H’80’ ;Intereseaza doar bitul OPMODE

TSTFSZ WREG ;Este in modul Configurare?

BRA ConfigWait ;Nu inca, asteapta

;Modulul este acum in modul Configurare. Urmeaza configurarea registrelor

;conform cerintelor. Apoi se seteaza modul Normal din nou pentru comunicatie

Citirea unui mesaj recepţionat nerezolvat se face prin secventa de program

următoare:

;Asigurarea ca exista mesaj nerezolvat in RXB0

BTFSS RXB0CON,RXFUL ;contine RXB0 un mesaj?

BRA NoMessage ;Nu, paraseste secventa

;Daca bufferul poate receptiona ambele tipuri de identificatoare

;de mesaje Standard si Extended, identifica tipul mesajului

BTFSS RXB0SIDL,EXID ;este identificator Extended?

BRA StandardMessage ;Nu, este identificator Standard

;Da, este identificator Extended

;Citeste toti cei 29 de biti ai identificatorului mesajului extins

…

;Acum citeste bitii de date

MOVFF RXB0D0, MY_DATA_BYTE1

…

;Odata ce mesajul este citit, se marcheaza acest lucru

BCF RXB0CON,RXFUL ;se permite modulului

;CAN sa incarce un nou mesaj in acest buffer.

6.4.5. Transceiver-ul CAN

Pentru interfaţarea controlerului CAN al microcontrolerului utilizat şi magistrala CAN a

sistemului de control al tracţiunii se poate utiliza circuitul transceiver CAN MCP2551. Acest circuit furnizează capabilităţile de transmisie şi recepţie diferenţială ale

protocolului CAN, fiind complet compatibil cu standardul ISO-11898 inclusiv cu cerinţele de 24V. El poate opera la viteze de până la 1Mbps. Circuitul se constituie de asemenea ca un tampon între controlerul CAN şi vârfurile de tensiune înaltă ce pot apărea pe magistrala CAN provocate de sursele exterioare (interferenţe electromagnetice – EMI, decărcări electrostatice - ESD, fenomene electrice tranzitorii, etc.).

6.4.6. Condiţionarea semnalelor

Intrările analogice necesită un nivel în domeniul 0÷5V şi o impedanţă de ieşire a sursei de semnal de 2,5kΩ, iar intrările digitale nivelul de 0V pentru 0 logic şi 5V pentru 1 logic. În schema de condiţionare a semnalelor analogice şi numerice (Fig.6.4.) am utilizat amplificatorul operaţional quadruplu unipolar TLC27M4ACD. Pentru semnalele analogice cu limita inferioară 0V şi cea superioară 7 - 48.6V, am folosit o configuraţie ce implementează funcţii Vo(Vi) de forma:

( ) ( ) iO VRRRRRV ⋅+⋅+= 34212 /1/ ,

în care rezistenţele R1 şi R2 asigură coborârea nivelului semnalului de intrare Vi în domeniul 0-1V, iar rezistenţele R3 şi R4 ridicarea în domeniul 0-5V [28].

Pentru semnalul analogic VIAlt (2,5V - 4,5V) am folosit configuraţia ce implementează funcţia Vo(Vi):

( ) VrefRRVRRV iO ⋅−⋅+= 1212 //1 ,


în care 2⋅R2=3⋅R1 (R2 – rezistenţa pe reacţia negativă) iar Vref=4,166V stabilită de la sursa de 5V printr-un divizor rezistiv [29]. În ambele cazuri semnalul analogic AI.x este livrat prin rezistenţe de 2,5kΩ iar curentul absorbit de fiecare adaptor este de ordinul µA – zeci µA.

Adaptarea semnalelor de intrare digitale se face prin etaje cu tranzistoare bipolare în

montaj emitor comun cu colectorul alimentat de la sursa de 5V. Circuitul integrat U2 ce condiţionează semnalele VIAlt şi VSCPÎ şi circuitul divizor rezistiv

asociat sunt alimentate de la sursa VDD1 validă doar pe perioada când aceste semnale sunt necesare, respectiv când contactul KM este închis.

6.4.7. Sursa de alimentare a modulului electronic al sistemului

Schema electronică a sursei de alimentare a microcontrolerului şi a modulului de

condiţionare a semnalelor de intrare este prezentată în Fig.6.5. Sursa VDD1 este validată de semnalul VKm dat de comutatorului de pornire. Ea alimentează circuitele care au rol numai în perioada de funcţionare a autovehiculului.

Ambele surse (VDD şi VDD1) furnizează 5V prin regulatoarele de tensiune LM7805 alimentate de la bateria autovehiculului. Fiecare din cele două circuite pot furniza 1A.

Comutatorul static BTS308 (clasa PROFET) are rezistenţa ON, 300mΩ; curentul de sarcină 1,6A; tensiunea de comandă pe terminalul IN: -10 ÷ +16V; curentul consumat prin intrarea de comandă: ±5mA; pragul tensiunii pe intrarea de comandă pentru starea ON: 1,5 ÷ 2,4V; pragul tensiunii pe intrarea de comandă pentru starea OFF: 0,8V;

J1

DSUB9F

U1A

TLC27M4ACD3

2

11

4

1 U1B

TLC27M4ACD5

6

11

4

7

U1C

TLC27M4ACD10

9

11

4

8

U1D

TLC27M4ACD12

13

11

4

14

VDD5V

R1

600kΩ

R2100kΩ

R3

10kΩ

R4 40kΩ

VIsc

AI.Isc

R5100kΩ

R6

1.52MΩ R7

10kΩ R8 40kΩ

AI.Usc

R9

1.16kΩ

R10 100kΩ

R11

10kΩ R12 40kΩ

AI.Ib

R13

100kΩ

R14

600kΩ R16

10kΩ R17

40kΩ AI.Ub

U2A

TLC27M4ACD3

2

11

4

1U2B

TLC27M4ACD5

6

11

4

7

R18

200kΩ

R19

300kΩ

R20 5kΩ

R21 1kΩ

VDD1 5VVDD15V

R22

100kΩ

R23

4.76MΩ

R24

40kΩ

R25

10kΩ

AI.Ialt

AI.Uscpi

Usc

VIb

Ub

Uscpi

VIalt

VDD5V

Vv DI.vVn DI.n

Va DI.aVtemp AI.Tpi

R15100kΩ

R26

10kΩ

R2710kΩ

R28

100kΩ

DI.Km

VKstart

DI.Kstart

VKm

Q1

2N2222

Q22N2222

VDD5V

VDD

5V

R29

2.5kΩ

R30

2.5kΩ

R31

2.5kΩ

R32

2.5kΩ

R33

2.5kΩ

R34

2.5kΩ

Fig.6.4. Schema electronică a modulului de condiţionarea a semnalelor.

U1LM7805CT

LINE VREG

COMMON

VOLTAGE

U2LM7805CT

LINE VREG

COMMON

VOLTAGE

C1100uF-POL

C2100uF-POL

C310uF-POL

C410uF-POL

C5100nF

C6100nFVb

12 V

VDD

5V

VDD1

5V

U3BTS308

IN

OUTVbb

GND

VKm

Fig.6.5. Schema electronică a surselor de alimentare VDD şi VDD1.


6.4.8. Montajul sistemului

O posibilă configuraţiei a modulului electronic al SME cu amplasarea componentelor

majore este prezentată în Fig.6.6.

Conectorii au următoarea destinaţie: A – conexiuni de forţă cu bateria, supercondensatorul pentru demaraj, supercondensatorul pentru preîncălzirea catalizatorului, rezistenţa de preîncălzire a catalizatorului, alternator şi comutatorul de pornire al autovehiculului; B – conexiuni senzori (alimentare şi semnal); C – Magistrala CAN.

SME împreună cu bateria (de capacitate redusă cu cca 50%) şi supercondensatoarele SCSt şi SCPÎ pot fi plasate în aceeaşi locaţie, în locul a bateriei de capacitate mai mare (Fig.6.7.).

GND Vtemp

KSC1 KSC2 KB1 KB2 KSCPÎ KS KP

KA

KB

KC

KD

PIC 18F4X80

Condiţionare semnale

L

LTC3780

T

Tr

LT3751

D

CCC-St

B+ SCSt+ St+ GND KStart+ KStart- SCPÎ+ PÎ+

Fig.6.6. Schiţa montajului sistemului modernizat de management al energiei autovehiculului.

VDD1 VIAlt Vv Vn Vpan

RSENSE

Sursă

RSENSE

CCC-PÎ

CAN

MCP2551 TLC27M TLC27M

U3 U1

U2

KIB

A

B C

Vapa

Alt+

SCSt

SCPÎ

Demaror

Electronica SME

Baterie

Alternator

RPÎ catalizator

KStart

Alţi consumatori

Fig.6.7. Poziţionarea SME şi a componentelor aferente.


CAPITOLUL VII. CONCLUZII FINALE ŞI CONTRIBUŢII ORIGINALE Concluzii finale

Autovehiculele moderne sunt echipate cu microcontrolere, care satisfac cu succes cerinţele de mediu, de eficienţă energetică şi siguranţă a pasagerilor. Suplimentar acestor cerinţe majore, a sporit şi confortul, comoditatea şofatului şi durata de exploatare [15].

Numărul automobilelor convenţionale din întreaga lume se apropie de un miliard şi creşte rapid (mai ales în China şi India) amplificând fenomenul de încălzire globală prin emisiile de gaze toxice, alături de celelalte surse de poluare. De aceea, cercetările actuale se concentrează pe două direcţii majore: descoperirea de surse de energie curată şi care asigură o bună eficienţă energetică şi proiectarea de sistemele de control pe autovehiculele cu propulsie clasică, care să satisfacă cele trei cerinţe majore. Astăzi, sunt dezvoltate şi chiar produse şi vândute automobile ce sunt propulsate cu energie electrică, cu hidrogen sau cu aer comprimat. Pe de altă parte, numeroase tehnologii au fost dezvoltate şi utilizate la creşterea eficienţei energetice a autovehiculelor convenţionale: frâna regenerativă; tehnologia BMW Turbosteamer; motorul hibrid cu aer comprimat; motoare ce utilizează căldura disipată prin intermediul aburului, a motoarelor stirling, a diodelor termice; instalarea dispozitivelor de prevenire a vortex-urilor.

Lucrarea de faţă se încadrează în contextul de acomodare a autovehiculelor cu motoare cu combustie internă, la două din exigenţele majore ale epocii actuale şi anume: utilizarea eficientă a energiei şi protecţia mediului înconjurător.

Se propune modernizarea subsistemului de pornire şi de management al energiei actual, precum şi implementarea unui subsistem nou, de preîncălzire a convertorului catalitic prin implicarea unei componente cu utilizare în plină expansiune, supercondensatorul.

Pentru a creiona o imagine asupra locului ocupat de susbsistemele propuse în lucrare, în Capitolul I se prezintă un sumar al sistemelor de control prezente astăzi pe autovehicule.

Multitudinea de sisteme de control specializate de pe autovehicule este structurată funcţional în următoarele patru sisteme: • Sistemul de tracţiune ce are în componenţă subsisteme specializate pentru managementul

motorului, managementul transmisiei, încărcare a bateriilor şi management al energiei, aprindere, recirculare gaz eşapat, răcire a motorului;

• Sistemul şasiu şi siguranţa pasagerilor ce are în componenţă subsistemele specializate pentru suspensie activă, airbag, ABS, ESC, detecţia răsturnării, tensionare a centurilor de siguranţă, monitorizare a poziţiei ocupanţilor, asistare la parcare;

• Sistemul corp al autovehiculului şi confortul ocupanţilor ce are în componenţă sisteme specializate pentru controlul: ambianţei, portierelor, scaunelor, lămpilor, ştergătoarelor de parbriz, poziţiei volanului şi pedalelor, protecţiei solare, iluminării, diagnosticării;

• Sistemul de informare şi multimedia cu subsistemele: radio analogic, radio digital, CD şi DVD, recepţie prin satelit, bordul autovehiculului, alarmă, navigaţie.

Senzorii şi actuatorii utilizaţi în sistemele de control ale autovehiculelor, trebuie să funcţioneze în condiţii aspre, caracterizate de temperaturi extreme, şocuri, vibraţii, umiditate, mediu coroziv, interferenţe electromagnetice şi de radiofrecvenţă. O trăsătură esenţială a sistemelor auto o reprezintă capabilitatea acestora de a comunica între ele prin intermediul magistralelor seriale din autovehicul, magistrale ce minimizează numărul de fire şi influenţa perturbaţiilor asupra datelor transmise. Datorită dezvoltării de reţele de comunicaţie în autovehicule de către mai mulţi producători şi datorită evoluţiei fireşti şi în acest domeniu, astăzi pot fi întâlnite mai multe tipuri de reţele: BTS, ByteFlight, CAN, D2B, DSI, FlexRay, IDB-1394, IEBus, Intellibus, K-Line, LIN, MI, MML, MOST, ODB II, PSI5, SAE J1650, SAE J1708. Cele mai utilizate reţele de comunicaţie auto de astăzi sunt: • CAN, în variantele CAN de mare viteză (ISO 11898-2), ce este utilizată pentru

interconectarea subsistemelor de control ale motorului, de control al suspensiei, de control al


tracţiunii, de control al cutiei de viteze şi ABS-ului; CAN tolerant la defecte (ISO 11898-3) ce se utilizează la interconectarea subsistemelor de control al luminilor faţă/ spate, controlul instrumentelor de bord şi al uşilor; CAN pe un singur fir (SAE J2411) ce poate fi utilizată la interconectarea subsistemelor de control ale scaunelor şi oglinzilor; ISO 11992 punct-la-punct, utilizată în autovehicule grele.

• LIN (SAE J2602), ieftină, dar scurtă şi lentă, ce poate înlocui cu succes reţeaua CAN pe un singur fir. Se utilizează la subsistemele din plafon, portiere, climat, de pe volan şi scaune.

• FlexRay utilizată pentru aplicaţiile critice din punct de vedere al siguranţei, cum ar fi de exemplu sistemele electronice de control de direcţiei şi frână.

Microcontrolere pe 8, 16 şi 32 biţi utilizate în autovehicule au anumite caracteristici speciale determinate de următorii factori: condiţiile aspre de mediu, imunitatea la perturbaţiile elecromagnetice, interfeţe specializate pentru comunicaţiile pe autovehicul, robusteţe şi siguranţă în funcţionare.

În Capitolul II se analizează susbsistemul de încărcare a bateriei şi de management al energiei în varianta convenţională, care are ca element de stocare doar bateria, precum şi în varianta modernizată, în care se utilizează ca element complementar de stocare a energiei supercondensatorul.

Sistemul convenţional este compus, pe lângă baterie, dintr-un generator sincron trifazat (alternator), un redresor bialternanţă cu 6 diode şi un regulator care menţine constantă tensiunea prin modularea curentului înfăşurării de excitaţie a alternatorului. Pe durata funcţionării motorului alternatorul încarcă bateria şi alimentează ceilalţi consumatori de pe autovehicul. Regulatoarele din unele modele de automobile pot modula tensiunea redresată prin intermediul ECU în funcţie de temperatura şi sarcina motorului, pentru a proteja bateria de curenţi mari de încărcare şi pentru a mări performanţele dinamice ale autovehiculului.

Bateria acid-plumb, element clasic de stocare a energiei, este folosită în primul rând pentru pornirea motorului cu combustie internă, având avantajul unei densităţi mari de energie, dar şi o serie de dezavantaje: numărul de cicluri încărcare/ descărcare de maxim 1400 (la descărcări de cel mult 20%); randamentul maxim 70% (mult mai mic la temperaturi reduse şi curenţi de sarcină mari); capacitatea şi tensiunea puternic influenţate de temperatură şi curentul de sarcină; autodescărcare intensă la temperaturi ridicate; densitate de putere relativ redusă; timp de încărcare mare (ore).

O parte din dezavantajele bateriei pot fi suplinite de supercondensator care prezintă timpi foarte mici de încărcare/ descărcare (ms), densitate de putere mult mai mare, randament ce poate ajunge până la 98% şi un număr foarte mare de cicluri de încărcare/ descărcare (circa 106-108

cicluri). Supercondensatorul are însă şi el câteva dezavantaje cum ar fi: curentul mai mare de autodescărcare şi densitatea mai mică de energie.

Combinarea avantajelor celor două dispozitive de stocare a energiei ne îndreptăţeşte să considerăm sisteme energetice pe automobil, în care aceste două elemente de stocare să funcţioneze în tandem ca surse complementare de energie.

Supercondensatorul aduce cu sine o nouă provocare: încărcarea sa. Capabilitatea de curent foarte mare la încărcare nu este benefică pentru surse (alternator şi baterie) a căror durată de exploatare este puternic afectată. Pentru a putea fi folosit în autovehicul, supercondensatorul trebuie încărcat la curenţi de valoare rezonabilă (5-6A) prin circuite ce funcţionează în comutaţie. În lucrare se propun trei astfel de circuite de încărcare, dintre care se remarcă circuitul încărcător de supercondensatoare de tip Flyback realizat cu CI LTC3751 ce poate realiza la ieşire tensiuni înalte (sute de volţi) şi cel realizat cu CI LTC3780 care în modul Skip-Mode/Buck şi Burst/Boost realizează un randament de 98% (spre deosebire de circuitele de încărcare liniare ce au un randament de doar 49%).

În Capitolul III se analizează sistemul de pornire clasic şi comportarea sistemului cu supercondensator folosit ca sursă de energie la pornirea autovehiculelor cu motoare cu combustie internă.


Pentru un sistem convenţional de pornire pe baterie, constituit din baterie şi demaror, s-a studiat comportarea mai întâi pe model şi apoi în condiţii reale. În lucrare s-a implementat în LabView modelul capacităţii şi tensiunii bateriei elaborat de Universitatea din Massachusetts USA [18], completat astfel încât să reflecte şi influenţa temperaturii asupra parametrilor bateriei. Modelul demarorului a fost elaborat pe baza caracteristicii Uborne(Iabs), implementat de asemenea în LabView.

Pentru analiza comportării în condiţii reale a sistemului baterie-demaror s-a conceput un sistem de achiziţie şi comandă ce utilizează un modul de achiziţie NI USB6009 şi un modul de condiţionare şi execuţie proiectat şi realizat de autor. Numărul mare de determinări făcut în condiţii similare pe două autovehicule (Dacia 1300Li şi VW Golf 3) au dus la următoarele concluzii: - procesul de pornire poartă amprenta specifică fiecărui sistem, şi de aceea analiza trebuie

personalizată. Din motive de disponibilitate, aprofundarea analizei s-a făcut pe automobilul Dacia 1300Li;

- din punct de vedere energetic modelul elaborat corespunde comportării reale; - din punct de vedere dinamic modelul pe sarcină constantă diferă de comportarea reală din

cauza componentei ciclice induse de motorul cu combustie internă în 4 timpi ce prezintă o fază activă (aprinderea/ destinderea) şi 3 faze pasive din care una dominantă (compresia).

Din analiza semnalelor obţinute în condiţii reale s-au identificat parametrii definitorii (şi dependenţele lor de temperatură şi numărul pornirii) care au permis ameliorarea modelului matematic al subsistemului de pornire, baterie-demaror-motor cu ardere internă.

Pe baza modelului demarorului obţinut şi a modelului supercondensatorului (utilizat şi de firma Maxwell) s-a elaborat modelul subsistemului de pornire supercondensator-demaror-motor cu combustie internă în LabView. Din analiza rezultatelor simulărilor pe acest model au rezultat următoarele concluzii: - pornirea motorului cu combustie internă cu supercondensatorul ca sursă de energie este

posibilă pentru anumite valori ale capacităţii şi rezistenţei interne ale acestuia (pentru automobilul Dacia 1300Li, C=100F şi Rsc<6mΩ);

- influenţa rezistenţei interne a supercondensatorului este mai pregnantă decât cea a capacităţii.

Pentru potenţarea avantajelor determinate de utilizarea supercondensatorului ca sursă de energie la demaraj, s-au conceput trei strategii de conducere a demarajului, care se prezintă în Capitolul IV .

Strategia de maximizare a energiei cedate sarcinii, SC-B.MaxW, presupune ca, în prima fază a pornirii doar supercondensatorul să livreze energie, urmând ca în faza următoare, rolul de sursă să-l preia bateria. Deoarece energia consumată la pornire se poate determina cu precizie dar energia realmente necesară pornirii se poate doar estima, pot să apară trei situaţii:

• energia necesară pornirii este mai mică sau egală cu cea estimată, caz în care pornirea se face integral cu supercondensatorul;

• energia estimată este cu puţin mai mică decât energia necesară pornirii, caz în care comutarea de pe supercondensator pe baterie determină un vârf de curent cedat de baterie suportabil (zeci de amperi);

• energia estimată este mai mică decât energia necesară pornirii, caz în care bateria este foarte intens solicitată, utilizarea supercondensatorului nefiind relevantă. Această situaţie nu este aplicabilă. Strategia de maximizare a puterii cedate sarcinii, SC-B.MaxP presupune asigurarea

puterii maxime ce poate fi cedată demarorului prin alimentarea sa, la începutul demarajului, de la supercondensator, care poate livra o putere mai mare decât bateria, urmând ca în faza a doua bateria să preia rolul de sursă. Comutarea de pe supercondensator pe baterie se face în momentul în care puterea estimată a bateriei egalează puterea livrată de supercondensator. Strategia SC-B.MaxP este potrivită în cazul utilizării supercondensatoarelor cu rezistenţă internă mică (≤16mΩ).


Pentru rezistenţă internă mare a supercondensatorului (>16mΩ), se recomandă utilizarea strategiei BSC-B.MaxP. Principiul de conducere este acelaşi ca al startegiei SC-B.MaxP, deosebirea constând în faptul că în faza iniţială a pornirii bateria şi supercondensatorul coparticipă la alimentarea demarorului, iar în faza a doua participă doar bateria, iar performanţele sunt mai scăzute.

Pentru determinarea gradului de adecvare a strategiilor la pornirea motorului, relativ la parametrii definitorii ai sistemului (rezistenţa internă a bateriei şi tensiunea la bornele sale în gol, rezistenţa serie echivalentă a supercondensatorului şi tensiunea iniţială în gol a acestuia precum şi rezistenţa sarcinii), s-au creeat două instrumente de evaluare: randamentul de utilizare a energiei supercondensatorului, ce indică procentul din energia supercondensatorului utilizată efectiv la pornire şi raportul puterilor maxime, care indică capabilitatea supercondensatorului de-a asigura puterea necesară la pornire. Prin prisma acestor instrumente, strategiile ce maximizează puterea pe sarcină sunt adecvate pentru: utilizarea la sisteme de pornire cu baterii de capacitate mică, parţial descărcate, funcţionând la temperaturi scăzute. Cerinţele impuse supercondensatorului sunt acelea de a fi încărcat la tensiune cât mai mare şi de a avea rezistenţa serie echivalentă cât mai mică.

La realizarea algoritmilor acestor strategii s-a mai ţinut cont de următoarele aspecte: - datorită componentei alternative a sarcinii, momentul comutării de pe supercondensator pe baterie se determină prin verificări succesive, la intervale egale cu durata perioadei vârfurilor de sarcină, a relaţiei dintre curentul prin supercondensator şi cel estimat prin baterie; - pentru selecţia unuia sau altuia dintre algoritmi, se monitorizează impedanţele bateriei şi supercondensatorului; - ameliorarea parametrilor de calitate, randament de utilizare şi raport al puterilor maxime, tensiunea pe supercondensator poate fi mărită până la valoarea de 16.2V (tensiune dată de 6 supercondensatoare cu tensiune nominală de 2.7V);

Încărcarea supercondensatorului la tensiunea de 16,2V, la valori rezonabile ale curentului (5-6A) poate fi realizată cu circuitul electronic de încărcare centrat pe controlerul LTC3780 ce oferă un randament excelent (98%) în regimurile Skip-Cycle/Buck şi Burst/ Boost. Pentru controlul curentului de încărcare s-a propus un circuit de comandă ce permite pornirea încărcării lente a supercondensatorului iar la nevoie modularea curentului de încărcare în acord cu valoarea curentului total debitat de alternator.

Algoritmii celor două strategii, SC-B.MaxP şi BSC-B.MaxP, au fost implementaţi pe platforma experimentală realizată şi utilizată anterior la studiul pornirii convenţionale a motorului cu combustie internă. S-a utilizat mediul de dezvoltare LabView pentru realizarea programului ce implementează cei doi algoritmi. Rezultatele obţinute experimental au confirmat analiza făcută pe baza modelului elaborat. În plus, efectul creşterii tensiunii pe supercondensator asupra comportării dinamice a sistemului demaror-motor cu ardere internă a fost spectaculos, implicând reducerea volumului, greutăţii şi costului supercondensatorului. Astfel, cu un supercondensator de 40F şi rezistenţă internă de 20mΩ, faţă de pornirea pe baterie, în aceleaşi condiţii, durata pornirii s-a redus în medie cu 45% iar valoarea medie a energiei cu circa 35%.

În lucrare se propune implementarea strategiilor de conducere într-un sistem de management al demarajului cu microcontroler încorporat.

De remarcat faptul că algoritmul poate fi adaptat, în cazul utilizării de motoare electrice reversibile (demaror/ alternator), astfel încât să realizeze suplimentarea puterii motorului la depăşiri, prin comutarea din regim de generator în cel de motor alimentat de la supercondensatorul încărcat cu energie recuperată.

În Capitolul V este prezentat subsistemul de preîncălzire al convertorului catalitic, componentă a sistemului modernizat de management al energiei. Dacă subsistemul de reglare a amestecului combustibil optimizează consumul de combustibil şi realizează concomitent o minimizare a conţinutului de noxe din gazul eşapat, pe durata funcţionării motorului în regim nominal, subsistemul pe preîncălzire potenţează rolul catalizatorului extinzîndu-i funcţionalitatea şi pe durata regimului tranzitoriu de funcţionare a motorului în stare „rece”.


Preîncălzirea catalizatorul este necesară deoarece până la atingerea temperaturii de 250°C, când eficienţa reacţiilor chimice de oxido-reducere este de 50%, în atmosferă se degajă o mare cantitate de noxe produsă de autovehicul.

Subsistemul propus în lucrare utilizează un supercondensator, încărcat lent de la alternator la o tensiune de 48,6V pe perioada de funcţionare a motorului şi descărcat rapid printr-o rezistenţă de încălzire, la iniţierea procesului de demaraj. Încărcarea supercondesatorului de 165F o face circuitul electronic încărcător de tip Flyback centrat pe controlerul LT3751.

Controlul încărcării şi descărcării supercondensatorului este făcut de microcontrolerul sistemului pe baza unui algoritm implementat într-o rutină dedicată. Temperatura catalizatorului şi tensiunea supercondensatorului sunt monitorizate în perioada predemarajului, deoarece ele determină timpul de descărcare. Temperaturi mai ridicate ale catalizatorului scurtează durata descărcării, iar tensiuni mai mici pe supercondensator lungesc perioada de descărcare pentru a asigura atingerea valorii limită de 250°C. Iniţierea demarajului este condiţionată de terminarea procesului de preîncălzire a catalizatorului, iar şoferul este informat de derularea acestui proces.

Subsistemele sintetizate, de management al demarajului şi al preîncălzirii catalizatorului, sunt integrate în sistemul master, de management al energiei aşa cum este prezentat în Capitolul VI. Subsistemele necesită informaţii legate de starea (Pornit/ Oprit) şi regimul de lucru (Normal/ Recuperare/ Accelerare) al autovehiculului pe care le primesc de la modulul central. Acesta decide asupra stării şi regimului pe baza informaţiilor despre viteza autovehiculului, turaţia motorului, apăsarea şi profunzimea apăsării pedalei de acceleraţie, ce pot fi primite fie direct de la senzorii dedicaţi, fie prin intermediul magistralei CAN de mare viteză de la ECU/ ECM.

În cazul colectării informaţiilor direct de la senzori se ţine cont de formatul acestora: impulsuri cu frecvenţă variabilă de la senzorul de tip reed, optic, inductiv sau cu efect Hall montat pe cablul vitezometrului pentru determinarea vitezei autovehiculului; impulsuri cu frecvenţă variabilă de la senzorul inductiv din proximitatea arborelui cotit pentru determinarea turaţiei autovehicului; nivel logic de la senzorul de apăsare a pedalei sau al clapei de admisie a amestecului combustibil pentru determinarea apăsării pedalei de acceleraţie; semnal analogic de la pedala de acceleraţie sau clapeta de admisie a amestecului carburant pentru determinarea profunzimii apăsării pedalei de acceleraţie.

În cazul colectării informaţiilor de pe CAN se poate utiliza modul ascultare/filtrare a mesajelor sau serviciul ReadObject cu solicitarea datelor prin mesaje Remote.

Algoritmul sistemului de management al energiei stabileşte starea şi regimul autovehiculului şi deconectează bateria de la alternator în cazul regimului Acceleraţie. Apoi lansează modulele asociate subsistemelor de managenet al demarajului şi preîncălzirii catalizatorului cărora le transmite şi informaţiile despre stare şi regim de lucru.

Pentru implementarea algoritmilor dezvoltaţi s-a ales un microcontroler destinat aplicaţiilor auto, PIC 18F4480/4580, ce oferă o gamă largă de capabilităţi. Conexiunea microcontrolerului cu magistrala CAN a ECU se face prin intermediul transceiver-ului CAN MCP2551 care operează conform standardului ISO-11898, asigură transferuri la viteza de 1Mbps şi se constituie în tampon pentru vârfurile de tensiune de pe magistrală provocate de EMI, ESD şi de fenomenele tranzitorii.

Pentru condiţionarea semnalelor s-a conceput o schemă în care rolul central îl are amplificatorul operaţional de precizie TLC27M4ACD, cu consum redus şi unipolar. Valorile componentelor asigură consumuri reduse, de ordinul µA – zeci µA, pe fiecare canal, satisfăcându-se dezideratul de consum redus de energie.

În spiritul aceluiaşi deziderat este concepută şi schema de alimentare a montajului, care are două module: unul pentru alimentarea componentelor ce sunt operative permanent şi altul care devine funcţional doar pe perioada funcţionării autovehicului.

Electronica sistemului de management al energiei poate fi implementată de o singură placă imprimată, conectarea cu celelalte componente ale sistemului realizâdu-se prin trei cuple: una pentru magistrala CAN, una pentru semnalele din proces şi alta pentru semnalele de forţă.


Amplasarea componentelor sistemului: modulul electronic, supercondensatoare şi baterie, este de preferat să se facă în aceeaşi locaţie de sub capota autovehiculului.

Subsistemul de management al energiei sintetizat în lucrare, îndeplineşte două din obiectivele majore ale societăţii contemporane, creşterea eficienţei energetice şi protecţia mediului, prin:

- reducerea necesarului de energie utilizată la pornirea motorului cu ardere internă cu circa 35%;

- folosirea de energie recuperată pentru pornirea motorului; - micşorarea cantităţii de materiale neecologice utilizate odată cu micşorarea producţiei de

baterii prin mărirea duratei de funcţionare şi a micşorării capacităţii bateriilor, implicit a volumului şi a greutăţii acestora;

- utilizarea de componente (supercondensatoare) prietenoase cu mediul înconjurător; - reducerea substanţială a noxelor din gazele eşapate prin extinderea regimului de

funcţionare nominal al catalizatorului; - alimentarea cu energie a modulelor sistemului numai pe perioada lor activă.

Contribuţii originale

• Analiza subsistemelor actuale de încărcare a bateriei şi management al energiei, de pornire a motorului cu combustie internă şi de reglare a amestecului combustibil; identificarea posibilităţilor de îmbunătăţire a performanţelor raportate la două obiective majore actuale ale societăţii: eficienţa energetică şi protecţia mediului;

• Analiza oportunităţii utilizării supercondensatoarelor la pornirea motoarelor cu combustie internă şi la preîncălzirea convertorului catalitic;

• Implementarea în LabView a modelului matematic al bateriei dezvoltat de Massachusetts University;

• Implementarea în LabView a modelului supercondensatorului utilizat de Maxwell Technologies;

• Implementarea în LabView a modelului sistemului supercondensator-demaror în sarcină;

• Analiza comportării sistemului supercondensator-demaror simulat; identificarea soluţiilor pentru implementarea sistemului real;

• Proiectarea şi realizarea modulului de condiţionare şi execuţie pentru determinări experimentale, de

• Realizarea sistemului de achiziţie şi comandă pe platforma hardware NI USB 6009 şi platforma software LabView;

• Dezvoltarea a trei strategii de conducerea a demarajului motorului cu ardere internă utilizând supercondensatoare: SC-B.MaxW – pornire pe supercondensator urmată de comutare pe baterie cu maximizarea energiei cedate de supercondensator; SC-B.MaxP - pornire pe supercondensator urmată de comutare pe baterie cu maximizarea puterii cedate demarorului; BSC-B.MaxP - pornire pe supercondensator şi baterie urmată de deconectarea supercondensatorului cu maximizarea puterii cedate demarorului;

• Propunerea de introducere a doi parametri de calitate, ηU - randamentul de utilizare şi rPMax - raportul puterilor maxime, instrumente de evaluare a gradului de adecvare a strategiilor de conducere a demarajului;

• Analiza comparativă a strategiilor de conducere a demarajului pe baza parametrilor de calitate ηU şi rPMax;

• Defininea stărilor şi regimurilor de lucru ale autovehiculului cu semnificaţie în conducerea demarajului şi crearea diagramei temporale a acestora;

• Crearea algoritmilor de conducere pentru strategiile SC-B.MaxP şi BSC-B.MaxP analizate;


• Implementarea în LabView a algoritmilor corespunzători celor trei strategii de conducere a demarajului;

• Optimizarea algoritmilor de conducere pe baza analizei datelor experimentale prin: actualizarea valorilor rezistenţelor interne ale bateriei şi supercondensatorului, modularea curentului de încărcare a supercondensatorului pentru prevenirea suprasolicitării alternatorului, oprirea încărcării supercondensatorului în regim de accelerare;

• Crearea schemei bloc a subsistemului electronic de conducere a demarajului în varianta cu microcontroler încorporat;

• Crearea schemei bloc a subsistemului electronic de conducere a preîncălzirii catalizatorului în varianta cu microcontroler încorporat;

• Realizarea algoritmului de comanadă a subsistemului de preîncălzire a catalizatorului;

• Selecţia şi adaptarea schemelor electronice ale încărcătoarelor supercondensatorelor la cerinţele specifice fiecărui sistem de conducere propus, precum şi a circuitului electronic de control al curentului absorbit de la sursă pentru încărcătorul supercondensatorului dedicat demarajului;

• Crearea a două variante de structuri ale sistemului modernizat de management al energiei autovehiculului ce înglobează subsistemle de management al demarajului şi al preîncălzirii catalizatorului;

• Elaborarea algoritmului de control a sistemului modernizat de management al energiei autovehiculului;

• Identificarea posibilităţilor de achiziţie a parametrilor cheie utilizaţi în algoritmul sistemului de management al energiei autovehiculului respectiv direct de la senzorii implicaţi sau de la ECM prin reţeaua CAN de mare viteză;

• Proiectarea şi implementarea modulului electronic de condiţionare a semnalelor şi de alimentare a sistemului de management al energiei autovehiculului;

Sistemul de management al energiei poate fi implementat pe autovehicule chiar dacă nu se poate accesa baza de date cu identificatorii mesajelor CAN – ce sunt specifici firmei producătoare şi nu sunt publici – deoarece în lucrare se propune şi soluţia alternativă de colectare a datelor direct de la senzorii implicaţi. De asemenea, sistemul poate maximiza performanţele referitoare la eficienţa energetică prin implementarea în autovehicule ce utilizează dispozitivul reversibil demaror/ alternator prin care energia recuperată poate fi utilizată şi la acceleraţie, nu numai la pornire.


BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ [1] Andersson, T., Groot, J., “Alternative Energy Storage System for Hybrid Electric Vehicles,

Chalmers University of Technology”, Dept. of Electrical Power Engineering, 2003. [2] Bannatyne, R., “Microcontrollers for the Automobile”, Transportation Systems Group,

Motorola Inc., www.mcjournal.com/articles/arc105/arc105.htm. [3] Boureima, F.-S. “Comparative LCA of supercapacitor and different battery technologies

used in a hybrid electric vehicle”, ESSCAP’08 – 3rd European Symposium on Supercapacitors and Applications, Roma, November 6-7, 2008.

[4] Bumby, J. R., P. H. Clarke, and I. Forster, U of Durham (UK), “Computer modelling of the automotive energy requirements for internal combustion engine and battery electric-powered vehicle”, IEEE Proceedings, Vol 132, Pt. A, No. 5, Sept 1985, pp. 265-279.

[5] Burch, S.D., Potter, T.F., Keyser, M.A. and Benson, D.IS., Progress in Emission Control Technologies, SAE Technical Paper Series SP-1053, Paper #941998, pp. 137-142.

[6] Chau, K.T., Wong Y.S., and Chan, C.C., “An overview of energy sources for electric vehicles”, Journal of Energy Conversion and Management, 1999, vol 40, pp1021-1039.

[7] Coquery, G., “High Performance Energy Storages for Mobile and Stationary Applications”, COST 542 Berlin 30 Nov.-1 Déc. 2006.

[8] Curtis, K., „Replacing chemical battery storage with supercapacitors into your embedded design”, http://www.docstoc.com/docs/12723884/supercap-charging-_-retrieving-ckt.

[9] EUCAR Traction Battery Working Group, ”Specification of Test Procedures for Electrical Vehicle Traction Batteries”, 1998.

[10] Fatikow, S., Rembold, U., Tehnologia microsistemelor şi microrobotică, Editura Tehnică, Bucureşti, 1999.

[11] Frank, R., Understanding Smart Sensors, Artech House, Boston, 1996. [12] Frackowiak, E., “Super-capacitor different technological approaches”, COST meeting

Brasov, 28th May, 2007. [13] Gardner, J.W., Microsensors. Principles and Appplications, John Wiley and Sons,

Chichester, 1995. [14] Green, A., Jehoulet, C., The non-battery battery – The potential role of supercapacitors in

standby power aplications, Green Parer, 2002. [15] Kiencke, U., Nielsen, L., “Automotive Control SystemFor Engine, Driveline, and Vehicle”,

2nd ed., 2005, XVIII, 512 p. 345 illus., Hardcover ISBN: 978-3-540-23139-4. [16] Laughton, M.A., Warne, D. J., Electrical Engineer's Reference Book, Sixteenth edition,

Elsevier Science, 2003, ISBN 0 7506 46373. [17] Linden, D., Reddy, Th. B., Handbook of batteries, McGraw-Hill, Third Edition, 2001,

ISBN 0-07-135978-8. [18] Manwell, J.F., ş.a., „Improvements to the Hybrid2 Battery Model”, Windpower 2005

Conference, May 2005. [19] Maxwell Technologies, Top 10 Reasons for Using Ultracapacitors in Your System Design,

White Paper, 2008. [20] Mazda, F., Power Electronics Handbook, Third edition, Elsevier Science,2003, ISBN

0.7506.2926.6 [21] NI Tutorial “FlexRay Automotive Communication Bus Overview”

http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/3352.


[22] Saal, C., Ţopa, I., Fransua, A., Micu, E., Acţionări electrice şi automatizări, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1980.

[23] Schneuwly, A., Sartorelli, G., Auer, J., Maher, B., “Ultracapacitor Applications in the Power Electronic World”, White Paper, Maxwell Technologies, Inc., 2008.

[24] Schofield, N., Bingham, C.M. and Howe, D., “Regenerative braking for all-electric and hybrid electric vehicles”, ImechE Conf. Braking 2002, Leeds, UK, pp. 175-183, July 2002.

[25] Schwartz W., “Supercapacitor or ultracapacitor charger”, Research Disclosure Journal ISSN 0374-4353© Kenneth Mason Publications Ltd, Database Number 541023, May 2009.

[26] Sojref, D., Borza, P.N., “Comparison of High-Voltage Supercapacitor Approaches and Case Study in Diesel Locomotive Starting System”, ESSCAP’08 – 3rd European Symposium on Supercapacitors and Applications, Roma, November 6-7, 2008.

[27] Stanca, C. , Electronică digitală, Editura Ema, Braşov, 2003; ISBN 973-86229-4-8. [28] Szekely, I., Goes, J., Gerigan, C., Pană, Gh., Stanca, C., Measurement of electronic devices

and circuits, Editura Lux Libris, Braşov, 2003; ISBN 973-9428-96-9. [29] Stanca, C., Lucrări practice de electronică analogică şi electronică digitală, Editura Ema,

Braşov, 2004, ISBN: 973-86229-7-2. [30] Stanca, A.C., Sandu F., “Microcontroller-based Management System of Supercapacitor-

aided Vehicle Starter”, Proceedings of the 14th International Symposium for Design and Technology of Electronic Packaging – „SIITME 2008”, Predeal, 18-21 September 2008, pag.115-119.

[31] Stanca, A.C., Syekely I., Mailat A., “Strategy for performance optimization in supercapacitor-based ICE starting system”, Proceedings of the 7th International Conference on Electromechanical and Power System – “SIELMEN 2009”, Iaşi, 8-9 October 2009, vol.II, pag. 159-162.

[32] Stanca, A.C., Kayafas E., Sandu F., Demeter M., “Mobile Access to Real Remote Experiments by Mini-browsers Based on Content-to-Terminal Adaptation”, Proceedings of the 10th International Conference on Optimisation of Electrical and Electronic Equipment – „OPTIM 2006”, Braşov, 18-19 May 2006, vol.III, pag.169-174.

[33] Stanca, A.C., Sandu F., Demeter M., “Interactive Computer-Aided Experiments-Set for Electronics, Based on Data Acquisition Systems”, Proceedings of the 10th International Conference on Optimisation of Electrical and Electronic Equipment – „OPTIM 2006”, Braşov, 18-19 May 2006, vol.IV, pag.195-198.

[34] Stanca, A.C., Borza P.N., Romanca M., Păun R., Zamfir S., „Model of Supercapacitor-Starter Assembly Used for Internal Combustion Engines Starting”, Proceedings of the 12th International Conference on Optimisation of Electrical and Electronic Equipment – „OPTIM 2010”, 20-22 May 2010, Braşov.

[35] Stanca, A.C., Sandu V., Szekely I., “Embedded System for Vehicles Start-of-ICE with Hybrid Battery-Supercapacitor Source”, Proceedings of the 10th International Conference on Development And Application Systems – „DAS 2010”, 27-29 May 2010, Suceava.

[36] Szabo, W., Szekely, I.: Măsurări electrice şi electronice. Vol.II, Univ. Braşov, 1989. [37] Tocaiuc, Gh., Echipamentul electric al automobilelor, Editura Tehnică, Bucureşti, 1982. [38] Tomuţa, O., Rogoveanu, N., Iliescu, P., Acumulatoare pentru autovehicule, Ed.Tehnică,

Bucureşti, 1990. [39] Turner, J., Automotive Sensors, Momentum Press, 1 March 2009, ISBN: 1606500090. [40] Van Mierlo, J.,“Transportation Technology”, COST542, Berlin, 2006.


CONTRIBUTIONS TO THE CONTROL SYSTEMS OF THE VEHICLES USING SUPERCAPACITORS

Abstract Nowadays the total number of conventional vehicles is almost one billion being an

important contributor to climate changes produced by exhaust gas emissions. That is why the worldwide research work is focused on two major directions: finding

new clean energy sources and designing control systems to ICE powered vehicles in order to meet major demands: lower environmental impact, energy efficiency and passenger safety.

The present thesis contributes to optimization of ICE powered vehicles according to efficient use of energy and environmental protection; it means mainly the updating of engine starting and energy management system as well as the implementing of a new type of catalytic converter preheating system.

Both optimizations imply the use of a wider spread component, the supercapacitor, whose qualities improve the behaviour of the starter battery.

The management of the engine starting requires the control of the starting by means of original algorithms using micro-controller, supervising quality parameters such as maximizing the energy delivered by supercapacitor or maximizing the power to the load.

The compliance degree of the strategies was assessed using two instruments proposed by the author: energy efficiency of the supercapacitor – the percentage of supercapacitor effectively used at engine starting – and the maximum powers ratio – showing the capability of the supercapacitor to deliver the required power at engine starting.

In order to implement the specific starting strategies a mathematical model of battery-starter and supecapacitor-starter assemblies was developed and used for the dimensioning of supercapacitor.

The algorithm was implemented in LabView and the functionality was checked on the developed platform, resulting the need to monitor battery and supercapacitor impedance for proper selection of management strategy and increasing the supercapacitor voltage for improving of quality parameters.

The management system of the proposed catalyst preheating is improved by extending its functionality during transient operation modes, when it is released in the atmosphere the biggest quantity of pollutants. An appropriate algorithm controls the moment and the discharge time of the supercapacitor on a heating electric resistor according to catalyst temperature and supercapacitor voltage.

The supervision of management systems dedicated to engine starting and catalytic converter preheating is performed by the global energy management system which defines the vehicle state and operation mode based on data on engine speed, vehicle speed, acceleration pedal position, taken over from CAN bus of the traction control system or from dedicated sensors.

The energy management system presented in thesis meets the demands of increasing energy efficiency and protecting the environment by means of :

- reducing energy consumption at the ICE starting; - using recovered energy for engine start; - lowering mass consumption of pollutant materials as result of

- lowering battery production as life span was increased; - lowering battery capacities, mass and volume, accordingly;

- using environmental-friendly components (supercapacitors); - significant reduction of exhaust gas pollutants as result of catalyst extended operation time; - electric supply of the system modules only when are active; - increased engine power when accelerated.


CURRICULUM VITAE

Name: Aurel Cornel STANCA Date and place of birth: 25.12.1960, Caracal, Romania Address: România, 500348 Braşov, Neptun str., nr.1 E-mail: [email protected] Education:

2003 - 2004 - Educational management course. Organized by “Transylvania” University of Brasov, Economical and Social Study Association. Certificate of Skills.

1991 - Utilization of SLC 500, the Allen Bradley product. 1 week. Organized by IPA – INDAS Bucharest, Romania. Certificate of Completion.

1989 - 1990 – Computer in research activity of building materials industry, post graduate course. Organized by Polytechnic Institute of Bucharest, Industrial Chemistry Faculty. Certificate of Completion.

1980 - 1985 - Polytechnical Institute „Traian Vuia” of Timisoara, Electrotechnical Faculty, Department of Automatics & Computers.Year of graduation: 1985.

Professional activity: 1996 - to present - Teacher at Technical College “Remus Răduleţ” Braşov. Main activity: Education and training of the college students in electronics and automation. Since 2003 training and the students of “Transylvania” University Braşov in electronic speciality.

1995 - 1996 - Automation engineer at S.C. CIMUS S.A., Câmpulung Muşcel, Romania - Cement production factory. Main activity: design and implementation of acquisition systems.

1990 – 1995 - Automation engineer at Research & Development Institute S.C. PROCELIA S.A. Brasov, Romania. Main activity: technical and economic software programmer; design and implementation of control systems in cement and lime industry.

1985 -1990 - Automation engineer and Analyst-programmer at Cement Factory, Câmpulung Muşcel, Romania. Main activity: implementation of technical solutions in control systems; update the factory control system; technical and economic software programmer.

Scientific activity: 2 technical books as single author 1 technical book as coauthor 6 international conference publications as main author

Download - Stanca Aurel Cornel

Top Related