stanca aurel cornel

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA din BRAOV

Facultatea de Inginerie Electric i tiina Calculatoarelor

Ing.Aurel Cornel STANCA

CONTRIBUII LA SISTEMELE DE CONTROL ALE AUTOVEHICULELOR CE UTILIZEAZ SUPERCONDENSATOARE

CONTRIBUTIONS TO THE CONTROL SYSTEMS OF THE VEHICLES USING

SUPERCAPACITORS

Rezumatul tezei de doctorat Summary of Ph.D.Thesis

Conductor tiinific Prof.univ.dr.ing.Iuliu SZEKELY

BRAOV 2010

Contribuii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizeaz 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 traciune al autovehiculelor........................................................... 5........9 1.1.2. Sistemul asiu i sigurana pasagerilor ............................................................. 5......10 1.1.3. Sistemul corp al autovehiculului i confortul ocupanilor................................. 5......11 1.1.4. Sistemul de informare i multimedia................................................................ 5......11

1.2. Senzori i actuatori pentru autovehicule .................................................................6.......12 1.3. Reele de comunicaie n 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 n sistemele de control ale autovehiculelor.......................9......24 1.4.1. Factorii care determin specificul microcontrolerelor utilizate n sistemele de control ale autovehiculelor ..................................................................................................... 9.....24 1.4.2. Tipuri de microcontrolere destinate aplicaiilor auto ........................................ 10....30

CAPITOLUL II. SUBSISTEMUL DE NCRCARE A BATERIEI I 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.Construcia i funcionarea acumulatorului electric acid-plumb .......................12......35 2.3.2. Parametrii de baz ai acumulatoarelor electrice ..............................................12......36

2.4. Supercondensatorul, alternativ a bateriei. ............................................................13......38 2.4.1. Construcia i parametrii supercondensatoarelor .............................................13......38 2.4.2. ncrcarea supercondensatoarelor ...................................................................13......39

CAPITOLUL III. SUBSISTEMUL DE PORNIRE A MOTORULUI CU COMBUSTIE INTERN..................................................................................................................... 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 n condiii reale .........................................................................18.......58

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

4.1. Strategii de comand a demarajului cu surs de energie hibrid, baterie i supercondensator ........................................................................................................ 22.......72

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

4.2. Implementarea strategiilor de comand a demarajului SC-B.MaxP i BSC-B.MaxP pe platforma experimental ............................................................................................ 27........96 4.3. Implementarea strategiilor de comand a demarajului SC-B.MaxP i BSC-B.MaxP ntr-un sistem cu microcontroler ncorporat ........................................................................... 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 PRENCLZITORULUI CONVERTORULUI CATALITIC ........................................................................... 29.......108

5.1. Subsistemul de reglare a compoziiei amestecului combustibil ........................... 29.......108 5.2. Schema bloc a subsistemului de management al prenclzitorului convertorului catalitic...... ............................................................................................................... 29.......110 5.3. Selecia componentelor subsistemului................................................................ 30.......112

5.3.1. Selecia supercondensatorului......................................................................30.......112 5.3.2. Selecia componentelor convertorului cc-cc 12-48,6V .................................30.......113 5.3.3. Selecia rezistenei de prenclzire ...............................................................31.......116 5.3.4. Selecia traductorului de temperatur ...........................................................31.......116

5.4. Funcionarea subsistemului ................................................................................ 31.......117 5.4.1. Diagrama temporal de funcionare 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. Funciile i structura sistemului modernizat de management al energiei autovehiculului...... ................................................................................................... 33.......124 6.3. Funcionarea i algoritmul de comand 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 referin pentru comparatoare.................................35.......133 6.4.4. Modulul ECAN (Enhanced CAN) ...............................................................35.......134 6.4.5. Transceiver-ul CAN ....................................................................................36.......138 6.4.6. Condiionarea 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 I CONTRIBUII ORIGINALE....... 39........145 BIBLIOGRAFIE SELECTIV................................................................................ 46........157


INTRODUCERE

Istoria automobilului se mparte n dou mari perioade: perioada de nceput (clasic), cuprinznd epocile veteran, edwardian, vintage, antebelic i postbelic ce au fost marcate de tipul dominant al propulsiei autovehiculelor i perioada a doua (modern) definit mai ales de tendinele stilului exterior i al dimensiunilor precum i de preferinele utilitare.

Perioada clasic este presrat 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 intern pe benzin n patru timpi; Rudolf Diesel, inventatorul motorului n patru timpi pe motorin; Christian Friedrich Schnbein, ce a fundamentat pila de combustie cu hidrogen (1838); nyos Jedlik, inventatorul motorului electric; Gaston Plant, inventatorul bateriei acid-plumb (1859).

Evoluia autovehiculelor din punct de vedere al sistemului de propulsie poate fi jalonat de automobilul cu motor cu abur (1769), cu combustie intern cu gaz lichefiat (1806), cu combustie intern pe benzin (1885), cu motor electric (nceputul secolului XX).

Indiferent de epoca n care s-a fabricat, orice automobil are n componen sisteme de: propulsie, transmisie, direcie, frnare, suspensie, rcire, eapament i electric. Controlul acestor sisteme se fcea la nceput numai prin subsisteme mecanice, electromecanice sau hidraulice. Pe msura avansului tehnologic o parte din sarcinile controlului sistemelor automobilului au fost preluate de subsisteme electronice. Cu avantaje certe fa de sistemele de conducere clasice, sistemele electronice analogice nu au putut totui realiza n unele cazuri funcionalitate i performane competitive. Acoperirea neajunsurilor a fost fcut de microcontrolere, care au revoluionat tehnologia ncepnd de acum 20 ani, prin posibilitatea pe care au oferit-o de a implementa algoritmi avansai de control.

Creterea cerinelor de mediu de reducere a polurii i a consumului de combustibil a fost una din raiunile pentru care industria auto a fost cea mai rapid n introducerea noilor tehnologii bazate pe microcontrolere. Activitatea de cercetare viguroas din domeniu i implementarea rapid a soluiilor permite aprecierea c autovehiculele de astzi sunt maini computerizate, avnd un numr foarte mare de microcontrolere incluse.

Sistemele de control ale autovehiculelor sunt concepute avnd n vedere trei obiective fundamentale: eficiena (consum redus de combustibil), emisii reduse (protejarea mediului nconjurtor), sigurana pasagerilor, dar i un numr de alte obiective cum ar fi: confortul, uurina ofatului, zgomotul redus, disponibilitatea, durata de exploatare extins [15].

Provocrile legate de automobile continu deoarece, dac n anul 2002 n ntreaga lume circulau circa 590 milioane de automobile n anul 2007 circulau deja circa 806 milioane. Creterea spectaculoas a numrului de autovehicule (mai ales n China i India) amplific ngrijortor fenomenul de nclzire global, alturi de celelalte surse de poluare.

Din aceast perspectiv este necesar ca cercetrile actuale s se concentreze pe descoperirea de surse de energie curat ce asigur i o bun eficien a automobilelor dar i pe modernizarea sistemelor de control de pe autovehiculele cu propulsie clasic, astfel nct acestea s satisfac cele trei exigene majore impuse. Astzi, sunt dezvoltate i chiar produse i vndute automobile ce sunt propulsate electric, cu hidrogen sau cu aer comprimat [6].

Pe de alt parte, numeroase tehnologii au fost dezvoltate i utilizate la creterea eficienei energetice a autovehiculelor convenionale: frna regenerativ; tehnologia BMW Turbosteamer; motorul hibrid cu aer comprimat; sisteme de utilizare a cldurii disipate cu motoare cu abur, cu motoare stirling, cu diode termice; proiectarea de vehicule aerodinamice; instalarea dispozitivelor de prevenire a vortex-urilor.

Pe lng includerea n autovehicule a sistemelor performante ce le confer acestora atribute conforme cu cerinele actuale ale pieei i ale reglememtrilor legale, un avans substanial l nregistreaz i sistemele de dezvoltare. Astfel, utiliznd tehnologia de simulare n timp real HiL Hardware-in-the-loop, sistemele electronice de control ale autovehiculelor pot fi rapid dezvoltate.


Lucrarea de fa se ncadreaz n contextul prefigurat, de acomodare a autovehiculelor cu motoare cu combustie intern la dou din exigenele majore ale epocii actuale: utilizarea eficient a energiei i protecia mediului nconjurtor. Se propune modernizarea subsistemelor de pornire (demaraj) i de ncrcare a bateriei i management al energiei actuale precum i implementarea unui subsistem nou, de prenclzire a convertorului catalitic, prin implicarea unei componente cu utilizare n plin expansiune, supercondensatorul [40].

Subsistemul modernizat de management al demarajului ce utilizeaz supercondensatoare prezint urmtoarele avantaje: permite folosirea bateriilor mbtrnite, exploatate intensiv sau descrcate parial inutilizabile pentru pornirea motoarelor cu combustie intern; mrete durata de via a bateriei de 2-3 ori (astfel numrul de baterii auto acid-plumb, se micoreaz n aceeai msur); permite utilizarea bateriilor cu capacitate mai mic (rezultnd reducerea volumul cu circa 10-30% i a greutii cu circa 25-40%, deci reducerea cantitii de plumb i acid sulfuric i a masei totale a mainii); ndeplinirea condiiilor de mediu, deoarece supercondensatorul nu emite substane nocive nici pe durata funcionrii i nici a stocrii [29]; energia electric cu care se ncarc supercondensatorul este energie recuperat la frnare i la coborrea pantelor.

Subsistemul de management al prenclzirii convertorului catalitic are n structur un supercondensator care prin descrcare pe o rezisten realizeaz nclzirea rapid a convertorului catalitic pn la temperatura minim de lucru. n absena prenclzirii, n intervalul de timp de la pornire pn la atingerea temperaturii optime de lucru a catalizatorului, se emite n atmosfer cea mai mare parte din cantitatea total de noxe produs de autovehicul.

Introducerea sistemului centrat pe cele dou supercondensatoare nu mpieteaz asupra performanelor dinamice ale vehiculului pe care este implementat, deoarece atunci cnd autovehiculul necesit putere maxim (la depiri cel mai adesea) sistemul deconecteaz supercondensatoarele i bateria de la alternator degrevnd astfel motorul de o sarcin inoportun.

La finalizarea acestei lucrri, doresc s mulumesc domnului prof.dr.Ing.Iuliu SZEKELY, conductorul meu tiinific, care mi-a acordat un sprijin substanial la elaborarea tezei de doctorat i de sugestiile i ndrumrile cruia m-am bucurat pe toat perioada de derulare a lucrrii.

Mulumesc de asemenea pentru sprijinul moral i tehnic colectivelor implicate n proiectele COST Action 542 High Performance Energy Storage for Mobile and Stationary Applications - i TRANS-SUPERCAP nr. 21-018/2007 PNII/P4 CNMP i n special domnului prof.dr.ing.Paul Nicolae BORZA care m-a ndrumat, m-a sprijinit cu o documentaie consistent i cu supercondensatoare pentru efectuarea experimentelor. Mulumesc de asemenea: domnilor prof.dr.ing.Florin SANDU care mi-a acordat sprijin substantial n elaborarea tezei de doctorat, ing.Adrian NOVAC de la INAR care a facilitat realizarea platformei dedicat experimentelor precum i documentaia din domeniul specific abordat n tez i conf.dr.ing.Adrian Virgil CRCIUN pentru documentaia furnizat referitoare la magistrala CAN.

Nu este mai puin important sprijinul moral pe care l-am primit de la familia mea, soia Manuela i cei doi fii, Filip i Cezar, pe parcursul perioadei de elaborare a tezei de doctorat, crora le mulumesc de asemenea i pentru faptul c au suportat adesea lipsa mea de implicare deplin n problemele familiei n aceast perioad.


CAPITOLUL I. SISTEME DE CONTROL AUTO

Un sistem de control auto are n structur un microcontroler, dispozitive de achiziie a informaiilor din proces (senzori) i dispozitive de acionare asupra procesului (actuatori).

Microcontrolerul dispune i de cel puin o interfa de comunicaie serial pentru comunicaii n reeaua specializat, Fig.1.1. La rndul lor, reelele specializate pot fi conectate ntre ele prin intermediul unor bridge-uri pentru a ntregi sistemul global de comand al autovehiculelor.

Din motive de simplitate constructiv i funcional i cost redus, astzi se folosesc senzori i actuatori cu electronic inteligent nglobat [11], care pot s comunice pe magistrale i s rezolve o multitudine de sarcini prin care degreveaz microcontrolerul sistemului de sarcini mrunte (condiionare semnale, etalonare, memorare parametri, etc.).

1.1. Sistemele de control ale autovehiculelor

Multitudinea de sisteme de control existente astzi n autovehicule poate fi structurat pe categorii funcionale: sistemul de traciune; sistemul asiu i sigurana pasagerilor; sistemul corp al autovehiculului i confortul ocupanilor; sistemul de informare i multimedia.

1.1.1. Sistemul de traciune al autovehiculelor

Subsistemele de comand ce compun sistemul de traciune al autovehiculului sunt dedicate pentru: managementul motorului (ECU/PCM/ECM); transmisie; ncrcare a bateriei i management al energiei; demaraj; control al elementului de prenclzire la motoarele Diesel; frna electric pentru parcare; rcirea motorului; recircularea gazului eapat; aprindere; admisia de amestec combustibil; schimbtorul automat de viteze electronic.

1.1.2. Sistemul asiu i sigurana pasagerilor

Subsistemele ce particip la funcionarea elementelor de pe asiu i la sigurana autovehiculului sunt dedicate pentru: suspensie activ; Subsistemul airbag; antiblocare frne (ABS); asistare la viraje (ESC); detectarea tendinei de rsturnare; tensionare a centurilor de siguran; monitorizare a poziiei ocupanilor autovehiculului; asistare la parcare.

1.1.3. Sistemul corp al autovehiculului i confortul ocupanilor Se compune din subsisteme pentru controlul: ambianei; zonei portierelor; scaunelor;

lmpilor; tergtoarelor de parbriz; pompei de ap, poziiei volanului; poziiei pedalelor, proteciei solare; degivrrii parbrizului i lunetei; sistemelor avansate de diagnosticare.

1.1.4. Sistemul de informare i multimedia

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

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

Proces

Comenzi

Informaii Comunicaii

Microcontroler

Senzori

Actuatori

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


1.2. Senzori i actuatori pentru autovehicule

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

(MAP) n 1979, iniial piezorezistiv necompensat, ulterior piezorezistiv compensat (1990), n tehnologie bipolar (1995) i apoi n tehnologie CMOS microprelucrat n volum, cu memorie nevolatil ncorporat ntr-un DSP. n anii 90, se produceau n mas accelerometre pentru sistemele airbag, n varianta capacitiv, obinute prin tehnologia MEMS de microprelucrare a suprafeei [10].

MEMS-urile sunt dispozitive ce au n structur componente cu dimensiuni ntre 1-100 microni i la care datorit raportului foarte mare suprafa/ volum domin efectele electrostatice i de umezire [13]. Acestea combin procesarea de semnal i comunicaia de date pe un singur chip de siliciu sau ntr-o singur capsul i contribuie esenial la creterea fiabilitii, consumul eficient de carburant, reducerea noxelor gazelor eapate i creterea siguranei i confortului autovehiculelor. Ele rspund cerinelor aspre de sub capot: temperaturi extreme, ocuri, vibraii, umiditate, mediu coroziv, interferene electromagnetice i de radiofrecven; au de asemenea o perioad de exploatare mare i pre mic (datorit standardizrii proceselor i a volumul mare al produciei) avnd fineea componentelor din domeniul militar i preul consumatorului obinuit.

1.3. Reele de comunicaie n autovehicule

Exist ase clase de reele de comunicaie n autovehicule: Clasa A (comunicaia cu destinaie general UART cu viteze de pn la 10kbps); Clasa B (magistral necritic cu viteze ntre 10kbps i 125kbps); Clasa C (reea cu numr redus de fire, cu viteze ntre 125kbps i 1Mbps); Emisii/ Diagnosticare; Multimedia mobil; X-by-wire (electronica adugat pentru a mbunti i nlocui sarcinile realizate n mod clasic prin sisteme mecanice i hidraulice).

Reelele utilizate astzi n 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 n 1983, fiind oficial definit de SAE n 1986. Este un protocolul de transmisie orientat pe mesaj. Fiecare mesaj are, pe lng coninut, un identificator unic n ntreaga reea, prin care se definete prioritatea sa.

CAN-ul este bazat pe mecanismul de comunicare prin difuzare larg (Broadcast Communication); orice staie a reelei poate s asculte mesajul staiei transmitoare i poate prelua mesajul funcie setrile din Filtrul de Acceptare (Acceptance Filtering) implementat. n serviciul clasic de comunicaie, Write Object, un nod productor (producer) trimite cadre ctre unul sau mai multe noduri consumatoare (consumers), fr ca acest lucru s implice interesul anterior al vreunei staii n aceste mesaje. n al doilea serviciu de comunicaie, Read Object, un nod solicit un mesaj specific printr-un Remote Frame. Nodul care este proprietarul informaiei va rspunde prin transmiterea mesajului Data Frame corespunztor. Mesajul de rspuns, poate fi recepionat de asemenea i de ali consumatori interesai.

Metoda de acces utilizat n CAN este non-distructiv cu arbitraj la nivel de bit. Cnd reeaua este liber, orice nod poate porni transmisia mesajului, chiar simultan cu alte noduri, evitndu-se coliziunea prin metoda CSMA/ CA+AMP implementat. Prioritatea mesajului este dat de identificatorul mesajului. Deoarece fiecare nod citete de pe magistral bit dup bit ntregul mesaj i l compar bitul transmis, biii cu valoarea dominant se suprascriu (n


transceiver) peste aceia cu valoarea recesiv. Dac valoarea citit este diferit de cea transmis nodul pierde competiia i trece n regim de ascultare.

Mesajul Data Frame este produs de un nod cnd acesta dorete s transmit data sau cnd acesta este interogat de un alt nod. El are urmtoarea structur: Start of Frame (SOF), Arbitration field, Control field, Data Field, CRC Field, Acknowledge Field, End of Frame.

Fiecare productor de reele deine propria sa baz de date cu definiia cadrelor i semnalelor care, n mod obinuit, este confidenial.

Metoda de codare a biilor n semnale este NRZ. Cum sincronizarea este asigurat de tranziii, iar la un numr mare de bii succesivi cu aceeai valoare sincronizarea se poate pierde, se utilizeaz regula bit-stuffing ce introduce un bit complementar la fiecare 5 bii de acelai valoare.

Temporizarea biilor (Bit timing) n CAN presupune mprirea duratei bitului n 4 segmente ce conin un numr de cuante de timp (cte dou impulsuri de tact) astfel: SYNC_SEG (o cuant; utilizat pentru sincronizarea nodurilor reelei); PROP_SEG (18 cuante; utilizat pentru compensarea ntrzierilor semnalului de-a lungul magistralei); PHASE_SEG1 (18 cuante; utilizat la compensarea erorilor de faz ale fronturilor; poate fi lungit pe durata resincronizrilor); PHASE_SEG2 (lungimea maxim a segmentului anterior i a timpului de procesare a informaiei; utilizat pentru compensarea erorilor de faz ale fronturilor, putnd fi scurtat pe durata resincronizrii). Prin programarea momentului eantionrii (Sample Point) se poate optimiza temporizarea biilor: o eantionare ntrziat permite maximizarea lungimii magistralei; o eantionare timpurie permite realizarea de fronturi scurte ale impulsurilor.

Standarde pentru reelele CAN din autovehicule

CAN de mare vitez, ISO 11898-2 cu caracteristicile: vitez maxim 1 Mbps; lungime magistral 40m; transmisia diferenial pe dou fire; necesit utilizarea a doi terminatori;

CAN tolerant la defecte, ISO 11898-3. Caracteristici: se folosete pe distane scurte; nu necesit terminatori; consum mic al driverelor; poate face transmisie asimetric pe un fir dac unul din cele dou fire se ntrerupe accidental; viteza maxim 125kbps; lungimea magistralei depinde de viteza de transmisie i de numrul de noduri; numr maxim de noduri 32;

SAE J2411, CAN pe un singur fir. Caracteristici: viteaza 33,3kbps (83,3kbps n modul vitez mare la diagnoz); numr de noduri 32; transmisia de date se face chiar pe firul de alimentare.

Controlul motorului (ECM)

Controlul suspensiei

Controlul traciunii

Controlul cutiei de viteze

ABS

Sistemul de control central (Poart CAN)

Controlul luminilor din

fa

Instrumente de bord

Controlul uilor

Controlul luminilor din

spate

Controlul scaunelor

Controlul oglinzilor

CAN de mare vitez

CAN tolerant la defecte

CAN pe un singur fir

Fig.1.2. Utilizarea reelelor CAN ntr-un autovehicul.


ISO 11992 point to point, nlnuire punct la punct. Caracteristici: tolerant la defecte; vitez maxim 125kbps; lungime maxim 40m; tensiune de alimentare 12/ 24V; mediu de transmisie UTP;

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

Protocolul LIN, reglementat prin standardul SAE J2602, este proiectat ca o reea ieftin, de scurt distan i vitez mic. Are o arhitectur cu un singur Master i mai muli Slave, destinat conectrii senzorilor i actuatorilor din unele aplicaii auto. Nodul Master conecteaz reeaua LIN cu reelele de nivel nalt, ca de exemplu CAN. Poate nlocui cu succes reelele CAN tolerant la defecte i CAN pe un singur fir.

Caracteristici: microcontrolerele utilizate sunt pilotate de oscilatoare RC foarte ieftine; rata de transfer este de pn la 20Kbaud; lungimea reelei este de pn la 40m; protocolul este o combinaie ntre I2C i RS232 i include autocontrolul vitezei de transmisie; poate lucra n modul SLEEP pentru evitarea descrcrii bateriei. Magistrala const ntr-un singur fir (Fig.1.3.), conectat n driverele open-colector, la alimentare, prin rezistoare. Starea dominant este semnalat prin comanda tranzistorului oricrui nod, care pune la mas colectorul (implicit magistrala), iar starea recesiv se stabilete prin rezistoare la valoarea VBAT=918V, atunci cnd niciun tranzistor nu este comandat. Magistrala poate suporta i tensiune de 40V, microcontrolerul fiind izolat de magistral printr-un transceiver ce permite ca microprocesorul s opereze la 5V.

Protocolul la nivel de bit presupune c fiecare byte transmis este ncadrat de un bit de start i unul de stop (similar transmisiei asincrone RS 232). n cadrul fiecrui byte, biii se transmit n ordinea LSB - MSB. Bitul de start are valoarea 0, iar bitul de stop 1.

n cadrul protocolului la nivel de mesaj, masterul interogheaz nodurile Slave pentru partajarea datelor lor cu restul reelei. Nodurile Slave transmit date numai comandate de Master-ul ce permite comunicaia bidirecional fr un mecanism avansat de arbitraj. Transferul mesajului ncepe cu cmpul Synch Break prin care Master-ul informeaz Slave-urile c ncepe transmisia unui mesaj. Urmeaz cmpul Synch Field ce este destinat sincronizrii ceasurilor nodurilor Master i Slave ntre care poate exista o deriv mai mare de 15%. Slave-urile determin rata de transfer a Master-ului i-i ajusteaz frecvena de ceas proprie. ID Field este cmpul care d informaii despre lungimea n byte a cmpului de date pe care-l solicit i adresa nodului de la care ateapt rspuns. Dup interogarea de ctre Master a unui Slave, acesta depune datele pe magistral ele ajungnd la toate nodurile, deci i la nodul destinaie.

Master-ul poate trece toate nodurile n modul economic Sleep prin trimiterea codului 80h. n acest mod nodurile au consum foarte redus de energie. Orice nod poate trezi reeaua prin trimiterea caracterului 80h. Printre utilizrile reelei LIN se numr: subsistemele din plafon (senzorul de ploaie, senzorul de lumin, controlul luminilor, controlul decapotrii, etc.), subsistemele din portiere (controlul oglinzilor, controlul geamurilor, blocarea uilor, etc.), subsistemul de climat (senzori de temperatur i umiditate, control servomotoare), subsistemele de pe volan (control traseu, tergtoare de parbriz, semnalizatoare, i opional controlul climatului, radioului, telefonului,

Fig.1.3. Configuraia tipic a reelei LIN.


etc.), subsistemul scaune (senzorul ocupanilor, panoul de control, controlul poziiei ocupanilor), subsistemul motor (senzori i servomotoare).

1.4. Microcontrolere utilizate n sistemele de control ale autovehiculelor 1.4.1. Factorii care determin specificul microcontrolerelor utilizate n sistemele de control ale autovehiculelor

Comunicaiile Datorit numrului mare de sisteme i subsisteme de comunicaie interconectate,

microcontrolerele pentru autovehicule au o zon destinat capabilitilor de comunicaie mai mare dect cea dedicat CPU [2]. Aceste interfee de comunicaie sunt autonome, astfel nct CPU se elibereaz n bun msur de managementul comunicaiei.

Algoritmii de conducere Algoritmii sistemelor de conducere auto trebuie s manipuleze intrrile de la mai muli

senzori i de la mai multe sisteme de comunicaii, s execute n timp real cicluri de control i s controleze ieirile ctre mai muli 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 reelei OSEK/VDX ce faciliteaz reutilizarea i portabilitatea software-ului precum i predictibilitatea comportrii sistemului.

Senzori i actuatori inteligeni Datorit creterii numrul de senzori i actuatori, probleme cum ar fi: manipularea

ntreruperilor intrrilor sau eantionarea ieirilor, furnizate de interfee diferite pentru fiecare senzor/ actuator; procesarea/ partajarea informaiei (uzual analogic) ce se schimb ntre CPU i fiecare senzor/ actuator, au putut fi rezolvate prin implementarea senzorilor i actuatorilor inteligeni care includ n acelai cip un CPU (MEMS) ce poate fi conectat cu ECU prin intermediul magistralei.

Sigurana n funcionare Sistemele de pe autoturisme trebuie s prezinte o funcionare sigur la defecte (de

exemplu ECU-ul ABS-ului comut pe sistemul clasic la apariia unui defect electric) sau s fie tolerante la defeciuni (care recunoate producerea unui defect electric, dar continu s opereze sigur). CPU poate valida componentele sistemului, sntatea sa fiind verificat i validat de un al doilea CPU, redundant, ce poate fi implementat printr-un al doilea C de sine stttor sau de un detector de eroare al CPU cu comparator logic pe acelai C.

Performan i pre de cost Utilizarea CPU RISC ce execut o instruciune ntr-un singur ciclu de tact, duce la

dimensiuni mici ale cipului i vitez mare de procesare. Procesoarele RISC de astzi pot executa instruciuni complexe ca MUL i DIV (dar n cteva cicluri), prezint foarte nalt putere de calcul, capabiliti de manipulare rapid a ntreruperilor, i cod dens, eficient.

Memoriile Dimensiunile ROM-ului continu s cresc pentru a putea gzdui programele ce

implementeaz algoritmii compleci, lsnd CPU-ului din C s ocupe o poriune din ce n ce mai mic. Tipic raportul de 32:1 ntre ROM i RAM este considerat potrivit n microcontrolerele moderne. n sistemele critice ce necesit mai mult siguran, se verific integritatea coninutului memoriei. Cea mai ntlnit tehnic este de verificare a paritii pentru ntreaga matrice de memorie. Alte scheme utilizeaz registrul de deplasare cu reacie liniar (Linear Feedback Shift Register) pentru a realiza analiza de semntur pe blocuri de memorie.

Soluii mecatronice Mecatronica, care vede sistemul ca un tot unitar i nu ca o colecie de pri componente

(electrice, electronice, mecanice) interfaate, are soluii potrivite pentru mpachetarea


microcontrolerelor. Ea integreaz componente individuale de naturi diferite ntr-un tot unitar nc n faza de proiectare, obinndu-se sisteme robuste cu numr redus de conexiuni.

Perturbaiile Pentru mbuntirea EMC (impus de creterea numrul de procesoare i de viteza lor

de operare), la nivelul proiectrii circuitelor integrate se iau n consideraie: folosirea a ct mai puine generatoare de tact i oprirea acestora cnd nu sunt utilizate, reducerea puterii buferului de ieire, folosirea surselor multiple i a mai multor pini de mas precum i reducerea impedanei traseelor acestor pini, eliminarea circuitelor de schimbare de sarcin integrate i poziionarea semnalelor de nalt frecven n apropierea traseului de mas.

Consumul de energie innd cont de numrul mare de sisteme care trebuie s funcioneze, unele chiar atunci

cnd motorul este oprit (putnd descrca rapid bateria), MCU-urile sunt optimizate din punct de vedere al consumului de energie. Astfel, cnd cipul este inactiv, se oprete generatorul de tact. Pe de alt parte, ECU-ul airbag-ului funcioneaz i n eventualitatea unui accident care ntrerupe alimentarea de la baterie, prin comutarea pe un condensator de valoare mare (sau supercondensator), ce poate asigura i umflarea airbag-urilor.

Integrarea funciilor n microcontrolerele destinate aplicaiilor auto diverse funcii (de putere, analogice,

numerice, de procesare, de memorare, de comunicaie, de protecie, etc.) sunt integrate ntr-un cip sistem ce include diferite tipuri de tehnologii, implementate n aceeai pastil de siliciu.

1.4.2. Tipuri de microcontrolere destinate aplicaiilor auto

n aplicaiile auto se utilizeaz deopotriv microcontrolere pe 8, 16 i 32 bii. Aplicaiile tipice n care se utilizeaz microcontrolere pe 8 bii sunt: controlul ventilaiei,

controlul climatului, comanda tergtoarelor, comanda proteciei solare, acionarea geamurilor, senzorul de ploaie, funciile necritice de pe bord, controlul scaunelor, controlul modulelor din zona uilor.

Microcontrolerele pe 16 bii sunt ideale pentru controlul motorului, cu soluii pentru ambele tipuri de motoare (pe benzin i pe motorin) i pentru controlul direct al injeciei. Aceste microcontrolere combin naltele performane ale CPU cu nalta funcionalitate a perifericelor i cu capabilitile de intrare/ ieire mbuntite.

Microcontrolerele pe 32 bii pot fi utilizate la sistemului de traciune i n aplicaiile ITS (Intelligent Transportation System).


CAPITOLUL II. SUBSISTEMUL DE NCRCARE A BATERIEI I DE MANAGEMENT AL ENERGIEI

Acest subsistem este

parte a sistemului de control al traciunii autovehiculelor i este destinat producerii de energie electric pentru ncrcarea bateriei i alimentarea sistemului electric al autovehiculului. Subsistemul nu are n nucleu un microcontroler, dar este cuplat cu ECU care monitorizeaz tensiunea de excitaie Fig.2.1.

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

2.1. Alternatorul

Alternatorul este un generator sincron, trifazat de curent alternativ, cuplat la axul motorului, utilizat la ncrcarea bateriei i la alimentarea sistemul electric pe perioada funcionrii motorului. Se rotete cu o vitez de 2-3 mai mare dect a motorului, astfel nct furnizeaz tensiune i cnd motorul funcioneaz la relanti. Redresarea tensiunii furnizate de alternator se face cu o punte trifazat bialternan cu 6 diode redresoare, Fig.2.1.

Randamentul alternatorului este de 50-62% funcie de dimensiunea sa i depinde de turaie fiind limitat de pierderile n ventilator, rulmeni, miezul feromagnetic, conductoarele de cupru ale nfurrilor i cderilor de tensiune pe diodele redresoare. De asemenea valoarea curentului debitat de alternator depinde de turaie.

n construcie clasic, alternatoarele pot livra un curent de maxim 32A, dar astzi sunt alternatoare (pentru autovehicule de pasageri sau camioane) ce pot produce 50-70A. Foarte multe alternatoare pot avea sisteme de rcire cu ap sau ulei.

2.2. Regulatorul de tensiune

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

alternatorului mpreun cu diodele redresoare, moduleaz curentul de excitaie pentru a menine constant tensiunea livrat de alternator. Pe lng bornele de alimentare A+ i GND el dispune de terminale pentru sesizarea comenzii de pornire D+, comanda nfurrii de excitaie DF, monitorizare a tensiunii de excitaie DFM i detecie a fazei PH.

Multe regulatoare de tensiune actuale sunt conectate la computerul de bord i astfel factori cum ar fi temperatura aerului i sarcina motorului sunt luate n considerare la ajustarea tensiunii de ieire, implicit a tensiunii de ncrcare a bateriei.

2.3. Bateria

Bateria (acumulatorul electric) constituie o soluie practic i eficient de stocare a energiei electrice ce este transformat n energie chimic n cursul ncrcrii acumulatorului. La

Figura 2.1. Schema bloc a sistemului de ncrcare a bateriei i de management al energiei.

Comutator pornire

Lamp semnalizare pornire

Spre

ECM

Vc

nfurare statoric

nfurare rotoric

Regulator de tensiune

Redresor


descrcare, prin alimentarea consumatorilor, n regim intermitent sau continuu, energia chimic este convertit n energie electric [16], [17].

Pentru demarajul automobilelor, se folosesc aproape n exclusivitate acumulatoare acide cu electrozi de plumb, care la un cost sczut, asigur o densitate de energie rezonabil.

2.3.1.Construcia i funcionarea acumulatorului electric acid-plumb

Un element acumulator const dintr-o cuv cu soluie apoas de acid sulfuric n care sunt imersai doi electrozi tip plac (catod i anod). ntre electrozi se interpun membrane microporoase, care permit transferul de ioni, dar mpiedic scurtcircuitul. Prin ncrcare, sulfatul de plumb din plcile pozitive se transform n acid sulfuric i bioxid de plumb, iar la plcile negative n plumb i acid sulfuric. Pe msur ce se ncarc acumulatorul, tensiunea la borne crete pn la cca 2,1-2,15V/ element. Pentru ncrcri prelungite, tensiunea pe element depete 2,35V i se iniiaz un proces secundar de electroliz ce conduce la pierderea de ap; astfel crete concentraia acidului, ce duce la scderea duratei de via i a performanelor bateriei. n procesul de descrcare, att plcile catod ct i cele anod se sulfateaz progresiv, parial sau total, n funcie de profunzimea descrcrii. Sulfatul de plumb format acoper superficial sau profund electrozii, iar apa format mrete diluia electrolitului i face s creasc rezistena intern i s scad tensiunea la borne pn la valoarea de oprire care este cu att mai redus cu ct curentul de descrcare este mai mare.

2.3.2. Parametrii de baz ai acumulatoarelor electrice Tensiunea electric, depinde de gradul de descrcare al bateriei, de regimul de descrcare

i de temperatur. La demaraj este important dependena tensiunii de regimurile de descrcare severe, specifice regimului de lucru n scurtcircuit al demarorului, Fig.2.2. [17].

Capacitatea electric (Ah), reprezint cantitatea de electricitate pe care o poate debita un element complet ncrcat n regim de descrcare de 20h pn la tensiunea nominal de 1,75V, la temperatura de 25C.

Capacitatea disponibil este capacitatea debitat de un element n regimuri mai severe de descrcare; depinde de temperatur i de regimul de descrcare.

Rezistena intern, are valori mici, de ordinul m i depinde de construcie, regimul funcional, starea de ncrcare i temperatur.

Randamentul funcional, este raportul dintre cantitatea de electricitate disponibil n starea ncrcat i cantitatea de electricitate consumat pentru ncrcare (80-90%).

Randametul energetic, este raportul dintre energia disponibil a unui acumulator n starea ncrcat, n regim nominal de descrcare i energia consumat la ncrcare (65-75%).

Conservarea capacitii, este dependent de temperatur fiind de 6% la 10C i 40% la 25C la acumulatoarele de demaraj actuale.

Durata de via, este de aproximativ 2-6 ani funcie de intensitatea solicitrilor i de modul de ntreinere i exploatare.

0,5 1 2 3 4 5 6 1

1,2

1,4

1,6

1,8

Uelem, V

Timp de descrcare, min

Fig.2.2. Curbele de descrcare a bateriei la cureni mari, la -17,8C.

600A

550A 415A

340A 305A 210A


2.4. Supercondensatorul, alternativ a bateriei. Supercondensatoarele sunt astzi, n unele aplicaii, inclusiv n aplicaii auto, alternativa

la utilizarea bateriilor pentru stocarea energiei [1], [26]. Sunt utilizate astzi supercondensatoare la: pornirea motoarelor cu combustie intern; stocarea energiei recuperate la frnare i coborrea pantelor i utilizarea ei la accelerare n automobilele electrice sau hibride [12]; alimentarea airbag-urilor laterale ca surs de energie independent de sursa central; sursele de alimentare ale sistemelor multimedia [19].

2.4.1. Construcia i parametrii supercondensatoarelor

Supercondensatorul (ultracapacitorul) este un condensator electrochimic care prezint o

densitate de energie mult mai mare (de cteva mii de ori) dect condensatoarele electrolitice de cea mai mare capacitate.

n principiu, un supercondensator electric const ntr-o structur cu strat dublu cu suprafa foarte mare i distan de separaie foarte mic (de ordinul nanometrilor), ambii parametri contribuind la obinerea capacitii foarte mari. Totui, tensiunea dintre cele dou straturi este mic i de aceea pentru realizarea unor supercapacitoare care s lucreze la tensiuni mai mari este necesar nserierea mai multor celule [3].

Rezistena intern a supercondensatorului este foarte mic, motiv pentru care, ncrcarea i descrcarea acestuia se face foarte rapid. Descrcarea rapid a unei cantiti relativ mari de energie nseamn de fapt putere mare pentru un timp scurt.

n modelul supercondensatorului (Fig.2.3.) Rc este rezistena serie (m - zeci de m, inductana serie Lc (ce depinde de construcie) poate fi ignorat la operare la joas frecven ca i rezistena de pierderi Rp la funcionri de scurt durat. La supercondensatoarele actuale, curentul de scurgere pentru o capacitate de peste 500F este mai mic de 10mA iar curentul de ncrcare/ descrcare de sute de amperi.

2.4.2. ncrcarea supercondensatoarelor

Dac descrcarea rapid a supercondensatoarelor este benefic n aplicaiile unde se cere putere mare pe durat mic totui, o provocare a supercondensatoarelor o reprezint ncrcarea acestora, mai ales atunci cnd sunt complet descrcate (cnd se prezint practic ca un scurtcircuit). ncrcarea cu circuite liniare a supercondensatoarelor se face cu randament foarte sczut de cca 49%. Aternativa la sistemul de ncrcare cu circuite liniare a supercondensatorului este SMPS.

Sisteme de ncrcare tip buck converter La aceste sisteme, tensiunea final pe supercondensator este mai mic dect cea de la

intrare dar poate ajunge pn n imediata apropiere a tensiunii de intrare. n circuitul de ncrcare din Fig.2.4. [8], curentul prin bobin, msurat cu un senzor de

curent, este comparat cu dou niveluri prestabilite, unul de minim i altul de maxim. Depirea pragului maxim al comparatorului corespunztor va comuta bistabilului RS n

starea 0 care deschide comutatorul static. Scderea curentului prin bobin sub valoarea minim a comparatorului corespunztor va comuta bistabilul n starea 1 care nchide comutatorul static. Tensiunea final pe supercapacitor este stabilit de tensiunea de referin de la intrarea celui de-al treilea comparator.

Rc

Rp

Lc C

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


ncrctor pentru supercondensatoare realizat cu controlerul sincron de mare eficien buck-boost cu 4 comutatoare LTC3780

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

Circuitul (Fig.2.5.) utilizeaz un rezistor RSENSE ca traductor de curent. Curentul prin bobina L este controlat prin tensiunea pe pinul ITH. Pe pinul VOSENSE se aplic semnalul de tensiune de reacie cules de pe divizorul rezistiv R1-R2, tensiunea la ieire fiind dat de formula ( )12OUT /RRVV += 18,0 . INTVCC este tensiunea intern stabilizat de 6V pentru alimentarea etajelor pilot ale tranzistoarelor MOSFET i circuitele interne de comand. Funcionarea circuitului este invalidat prin aducerea pinului RUN la nivel sczut. Atunci cnd pinul RUN se afl la o tensiune mai mare de 1,5V dar mai mic dect INTVCC, condensatorul extern CSS se ncarc lent de la 0 la 2,4V ce previne curenii abrupi absorbii de la surs.

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

controlerul intr n modul de operare Burst n funcionarea boost.. Modul Burst stabilete nivelul minim al curentului de ieire nainte de a inhiba comutatorul C i deschide comutatorul sincron D atunci cnd curentul prin diod devine negativ. Aceast combinaie de cerine, la curent mic, va fora tensiunea pe pinul ITH sub pragul de tensiune care temporar va inhiba nchiderea

Fig.2.5. Configuraia tipic a circuitului regulator de tensiune realizat cu circuitul integrat LTC3780.

Figura 2.4. Schema de principiu a circuitului cu bucl de reacie pentru ncrcarea

supercondensatoarelor.


comutatoarelor C i D pn cnd tensiunea la ieire scade. Un histerezis de 100ms produce semnale de ieire la MOSFET-urile C i D pe care le deschide pentru cteva cicluri, urmate apoi de un interval variabil sleep dependent de curentul de sarcin. Valoarea maxim a ondulaiei de tensiune la ieire este limitat la 3% din tensiunea continu de la ieire, ce este determinat de divizorul rezistiv de pe reacie.

Circuit pentru ncrcarea supercondensatoarelor realizat cu circuitul ncrctor pentru condensatoare / regulator de tensiune nalt, LT3751

Circuitul LT3751, Fig.2.6., este utilizat n modul ncrctor prin aplicarea unei tensiuni

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

Curentul absorbit de la surs este monitorizat prin msurarea cderii de tensiune pe

RSENSE la pinii CSP i CSN. Funcionarea prezint 4 faze: Faza iniial: Pornirea; este iniiat dup 2s dup ce terminalul CHARGE este pus pe 1. Bistabilul master intern trece n starea 1 deschiznd tranzistorul NMOS extern ce permite nceperea primului ciclu. Bistabilul rmne n starea 1 pn cnd tensiunea de ieire atinge valoarea prescris sau pn cnd se ntlnete o condiie de eroare. Faza 1: Prima parte a ncrcrii; la bornele primarului transformatorului se stabilete tensiunea VTRANS-VDS(ON). Curentul prin primarul transformatorului va fi liniar cresctor cu panta (VTRANS-VDS(ON))/LPRI. Tensiunea din primar este oglindit n secundar -N(VTRANS-VDS(ON)) i polarizeaz invers dioda prevenind circulaia curentului prin nfurarea secundar. n acest fel energia este conservat n miezul magnetic. Faza 2: Transferul secundar al energie; la atingerea valorii limit a curentului (106mV/RSENSE), tranzistorul NMOS se blocheaz. Energia magnetic stocat n miezul transformatorului este transformat n energie electric n secundar. Tensiunea din secundar polarizeaz direct dioda prin care trece curentul de ncrcare. La atingerea valorii prescrise la ieire, tranzistorul pilot NMOS se deblocheaz i se trece n faza urmtoare. Faza 3: Modul de detecie discontinuu; n faza 2, n primar apare tensiunea (VOUT+VDIODE)/N iar dup eliberarea energiei transformatorului, tensiunea din secundar se stabilizeaz; ca urmare tensiunea la bornele primarului se anuleaz, iar potenialul din drena tranzistorului pilot scade la valoarea VTRANS. La atingerea valorii VTRANS+20ARDCM bistabilul ce comand tranzistorul pilot extern NMOS este setat, reintrndu-se n faza a 1-a.

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

RSENSE

VOUT


CAPITOLUL III. SUBSISTEMUL DE PORNIRE A MOTORULUI CU COMBUSTIE INTERN

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

traciune 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 i RC sunt inseparabile formnd mpreun demarorul (car starter).

La nchiderea contactului KStart, bobina RC este alimentat de la baterie iar contactul su se nchide i permite alimentarea demarorului cu un curent de circa 200-300A. La atingerea turaiei de automeninere, 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 inerial. 3.1. Demarorul

Demarorul este un motor de curent continuu cu excitaie serie, care iniiaz rotirea motorului cu ardere intern pn la turaia de la care acesta i poate ntreine funcionarea. Este dimensionat pentru un curent mare (sute de amperi) deci cuplu mare, pe durat mic (secunde).

Alimentarea demarorului la sistemele convenionale se face de la bateria automobilului, a crei durat de via este afecat datorit numrului i profunzimii descrcrilor [20]. Funcionarea demarorului este relevat de caracteristicile [37], [38]: tensiunii Uborne(Iabs) - A; turaiei n(Iabs) - B; puterii utile Pu(Iabs) - C; cuplului M(Iabs) D (Fig.3.2.).

Regimurile de funcionare ale demarorului sunt: a) Scurtcircuit, caracterizat de valorile n=0, Iabs=Isc, M=Mmax, Pu=0; b) Sarcin, cnd motorul ncepe s se roteasc, cuplul rezistent scade, se dezvolt putere

care este maxim, pentru curentul absorbit Iabs=Isc/2; c) Mers n gol, cnd motorul a pornit, cuplul activ i

puterea util a demarorului se anuleaz, curentul Igol fiind consumat doar pentru compensarea pierderilor demarorului.

Valorile parametrilor Isc, Igol, Usc, Ugol difer funcie de: puterea motorului i a demarorului, starea de ntreinere i uzura sistemului mecanic i electric, temperatur, starea de descrcare a bateriei. Comportarea demarorului din punct de vedere electric, este definit de caracteristica A (Fig.3.2.) i de durata procesului de pornire [30].

Rezistena echivalent a demarorului pe durata procesului de pornire poate fi pus n relaie cu curentul absorbit i are valoarea dat de formula

( ) IIRUIR bbd /)( = (3.1) unde Ub este tensiunea bateriei n gol i Rb rezistena intern a bateriei.

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

Massachusetts [18] care cuprinde: Modelul capacitii este descris de ecuaia

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

cu combustie intern.

RC M B

KStart

RC

Iabs

A

B

C

Isc Igol

Usc

Ugol

Fig.3.2. Caracteristicile funcionale ale demarorului.

Isc/2

D


Qmax(I)=qmax,0kcT/(1-e-kT+c(kT-1+e-kT)) [Ah]

n care qmax,0 = 86,1031 Ah este capacitatea maxim, la un curent infinitezimal; k=0,5874 h-1 rat

de ncrcare/ descrcare; c = 0,3747 raportul capacitii disponibile totale, T timpul de descrcare.

Dependena capacitii bateriei de temperatur este definit de ecuaia Qt=Q25/(1+0,008(25-t)) [Ah] , n care Q25 este capacitatea la 25C, Qt - capacitatea la temperatura t. Modelul tensiunii bateriei la ncrcare/descrcare este descris de ecuaia

E=E0+AX+CX/(D-X) n care E0 = 12,3097V/12,5978V - tensiunea bateriei complet ncrcat; A = 0,8616V/-0,7077V - parametru care reflect variaia liniar iniial a tensiunii interne a bateriei; C = 0,1798V/ -0,0823V - parametru ce reflect creterea/descreterea tensiunii bateriei progresiv ncrcat/descrcat; D = 1,0260/ 1,1311 - parametru ce reflect creterea/descreterea tensiunii bateriei progresiv ncrcat/descrcat; X - capacitatea normalizat la curentul dat, la ncrcare descris n termeni de sacin existent de ecuaia X=q/qmax(I), iar la descrcare, n termeni de sarcin consumat de ecuaia X= (qmax(I)-q)/qmax(I).

Modelul demarorului S-a luat n considerare, la comportarea demarorului la pornire, ecuaia (3.1) i valorile

parametrilor de intrare Isc, Igol i td (durata demaraj) rezultnd modelul dat de ecuaia ( )( ) bgolscdscdbd RtIItItUR = / . (3.2)

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

intern a fost simulat pe modelul implementat n LabView (Fig.3.3.) [30]. Energia consumat de demaror depinde de factori intrinseci (tipul motorului, tipul demarorului) i extrinseci (uzura sistemului mecanic i electric, calitatea ntreinerii motorului i a uleiului, temperatura).

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

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


td=1s [41]. Rezultatele obinute prin simulare au fost confirmate de cele obinute ulterior n condiii reale.

3.2.2. Experimente n condiii reale Pentru realizarea experimentelor de pornire a

motorului cu combustie intern, am conceput un sistem de achiziie i comand portabil, flexibil, uor de instalat i utilizat (Fig.3.4.) [32], [33].

Modulul de condiionare i execuie, Fig.3.5., transform tensiunea bateriei VB+ (0-15V) n mrimea analogic de intrare AI.VB (0-10V), curentul de sarcin ISt=IB (0-300A) n mrimea analogic de intrare AI.IB (0-10V), tensiunea de pe comutatorul de pornire a autovehiculului VKSt (0-15V) n mrime de intrarea digital DI.KSt i comand alimentarea demarorului printr-un comutator static.

n schema electronic a modulului de condiionare i execuie (Fig.3.6.), tensiunile pe baterie i pe supercondensator VB+ respectiv VSC+ se divizeaz pe grupul R7-R9, respectiv R8-R16. pentru a se obine semnalele de tensiune AI.Vb respectiv AI.Vsc. Curenii furnizai de baterie i supercondensator Ib respectiv Isc, sunt oglindii de tensiunile AI.VIb respectiv AI.VIsc (0-10V) de pe rezistenele R5-R6 respectiv R2-R3. Comutatoarele statice Kb1 i Kb2 respectiv Ksc1 i Ksc2, sunt conectate n paralel pentru a extinde capabilitatea n curent la 330A. Tensiunea VKst (0-12V) comand tranzistorului Q5 ce livreaz prin colector 5V-0V.

Tranzistoarele Q1-Q3 respectiv Q2-Q4 (BTS555 din clasa PROFET) ndeplinesc rolul comutatoarelor de for 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), bidirecional cu: tensiunea de operare 5-34V; rezistena n conducie (n ambele sensuri) 2,5m; limitarea curentul de scurtcircuit la 520A; traductor de curent ncorporat i protecie la supratensiune, suprasarcin, supratemperatur, alimentare invers, ESD.

Modulul de achiziie NI USB6009 utilizat, are caracteristicile: 8 intrri analogice (14 bii, 48kS/s); 2 ieiri analogice (12 bii); 12 intrri/ ieiri digitale (TTL/CMOS);1 temporizator (32 bii la 5MHz); impedana de intrare a intrrilor analogice de 144k; conectare la PC prin portul USB.

Pe PC/laptop ruleaz n LabView programul SoB (Start on Battery) pentru monitorizarea demarajului pe baterie ce conine 3 module concurente: unul pentru achiziia digital destinat monitorizrii intrrii Kstart, unul pentru achiziia analogic destinat monitorizrii mrimilor VB i IB i altul pentru comanda digital a comutatorului static Kb1,2. Modulele sunt interconectate prin variabilele Kstart i Stop.

Fig.3.5. Modulul de condiionare i execuie.

Ksc2

J2

Kb1 Kb2

Ksc1 J3

Fig.3.4. Schema sistemului de achiziie i comand pentru

pornirea motorului cu bateria.

RC M B

KStart

RC

Modul de condiionare i execuie

Modul de achiziie 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 dou

autovehicule (Dacia 1310Li i VW Golf 3) n condiii similare de temperatur (cca -10C), avnd acumulatoare de 44-45Ah cu durata de exploatare cca 7 ani, s-au desprins aspectele prezentate n Tab.3.1. Amprenta specific a demarajului fiecrui sistem de pornire este prezentat n Fig. 3.7. Tab.3.1. Rezultate experimentale obinute la pornirea autovehiculelor.

Parametrul Dacia 1300 Li VW Golf 3 Energia util Wu, kJ 0.94 2 1.5 1.65 Vrful puterii cedate Pmax, W 2363 - 2600 2877 2905 Durata cuplrii 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 vrfurilor de sarcin Ts, msec 145 -183 125-225 Durata regimului de mers n gol Tg, msec 35 69 200 220 Amplitudinea curentului de scurtcitcuit Isc, A 238 275 296 300 Amplitudinea curentului la nceputul regimului de sarcin Is1, A 150 184 165 175 Amplitudinea curentului la sfritul regimului de sarcin Is2, A 115 141 80 90 Amplitudinea curentului la sfritul regimului de mers n gol Ig, A 38 54 60 64 Amplitudinea oscilaiilor n prima faz a regimului de scurtcircuit Ivsc1, A 19 38 6 10 Amplitudinea oscilaiilor n a doua faz a regimului de scurtcircuit Ivsc2, A 16 51 5 10 Amplitudinea oscilaiilor n regimul de sarcin Ivs, A 44 63 22 25 Numrul de cicluri n regimul de sarcin n 2 - 5 4 - 5

Parametrii din Tab.3.1. sunt definii n Fig.3.8. Valorile lor depind n primul rnd de

numrul pornirii succesive i temperatur. Valori mai mari ale lui Tsc1, Tsc2, Ts, Ivsc1, Ivsc2 i Ivs corespund primei porniri, la rece.

Din punct de vedere energetic datele obinute prin modelare corespund cu datele experimentale, dar exist o diferen ntre modelul utilizat i comportarea real referitoare la dinamica procesului, evideniat de alura diagramei reale I(t). Cu parametri identificai n Fig.3.8. i valorilor lor din Tab.3.1., modelul iniial (ecuaia 3.2.) cu variaie liniar a curentului de la Isc la Igol, poate fi ameliorat prin considerarea variaiei neliniare a acestuia.

Fig.3.6. Schema electronic a modulului de condiionare i execuie.

Q1

BC107BPR1

10k

R21.0k

La USB 6009

2

4

3,Tab

1,5

2

4

3,Tab

1,5

Ksc1BTS555

R3

1.0k

Ksc2BTS555

Q2

BC107BP

R410k

R51.0k

2

4

3,Tab

1,5

2

4

3,Tab

1,5

Kb1BTS555

R6

1.0k

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

10k

R12

10k

LED1

LED2

LED3

R131.0k

R141.0k

R15

1.0k

Q5

BC107BP

R10

10k

J3

HDR1X2

J2

DSUB9F

VKst

VSC+

VB+

VDC

R9

4.7k

R16 4.7k

12k

12k


Astfel:

++

+

= t

TIIt

TT

III

SCVSCSC

SCSC

SCS

11

21

1

3

4sin

, pe durata Tsc1,

+

+

= )(

2sin 1

22

21

1SC

SCVSCSC

SCSC

SCS TtT

IItTT

III

, pe durata Tsc2,

( )( )

+

+

= )(

2sin

25.0 2112112

SCSCS

VSSSCSCS

SS TTtT

IITTtTn

III

, pe durata (n+1/4)Ts

( ) VSSSSCSCg

Sg IITnTTtT

III ++

= 221

2 )25.0( , pe intervalul Tg.

Pe baza modelului ameliorat al sistemului bateriedemaror implementat n LabView s-au obinut semnalele din Fig.3.9. Astfel, la o pornire cu 4 cicluri de compresie/ detent n sarcin, energia util i vrful puterii maxime obinute prin modelare difer fa de cea real cu 0,81% respectiv 4,05% pentru urmtoarele 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 i utiliznd modelul supercondensatorului.

IRdt

dUCUU SC

SCSCSC += 0 ,

n care USC este tensiunea la bornele supercondensatorului, USC0 - tensiunea iniial la bornele supercondensatorului, RSC rezistena intern a supercondensatorului, C capacitatea supercondensatorului, I curentul de descrcare, s-a implementat n LabView programul de simulare a pornirii motorului cu ardere intern.

n Figura 3.10. sunt prezentate formele de und ale curentului prin i tensiunii pe demarorul alimentat de la supercondensator, la pornirea cu 4 cicluri n regim de sarcin.,

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 sarcin

Regim de mers n 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

)

Regim de mers n gol

Cuplare demaror

Regim de sarcin

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.


obinute prin simulare.

Pentru determinarea domeniului de

valori al capacitii i rezistenei interne a supercondensatorul destinat demarajului, am considerat o pornire pe baterie, relativ solicitant (5 cicluri de compresie-detent n sarcin), ce dureaz 1,09 secunde i consum 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 aceast durat a demarajului am simulat pornirea cu condensatoare cu capaciti de 50F, 75F, 100F i 125F, Rb=2-20m, cu Rb=15m i USC0=Ub=12,6V. S-au obinut caracteristicile energiei utile funcie de rezistena intern a supercondensatorului, Wu(RSC), Fig.3.11.

Caracteristicile relev faptul c supercondensatorul cu capacitatea de 50F, indiferent de rezistena sa intern, nu poate elibera energia necesar pornirii, cel de 75F numai pentru rezistene interne foarte mici iar cele de 100F i 125F, pot asigura energia pentru rezistene interne sub 6m respectiv 8m. De remarcat faptul c modificarea rezistenei interne are o influen mai mare dect modificarea capacitii n furnizarea energiei utile cerute.

n Fig.3.12. sunt reprezentate dependenele Wu(n) (n numrul de cicluri compresie-detent) pentru supercondensatorul cu capacitatea C=100F i cteva rezistene interne. Cu rezistena intern de 20m nu poate asigura energia util nici pentru 3 cicluri; cel cu rezistena intern de 10m poate asigura energia util la porniri cu pn la 3 cicluri; pentru RSC=6m, n=5 cicluri. Prin simulri suplimentare s-a putut determina numrul maxim de cicluri pentru rezistena intern de 4m i 2m: n=7 respectiv n=8 cicluri.

I(t)/300A

U(t)/12.6V

Fig.3.9. Semnalele normalizate de tensiune i curent obinute prin simulare

pe modelul ameliorat.

Fig.3.10. Formele de und ale curentului i tensiunii normalizate pentru demarorul alimentat de un supercondensator cu

C=100F, RSC=2m, obinute prin simulare.

I(t)/300

U/12,6V

Rsc

900

1100

1300

1500

1700

1900

2100

3 4 5 6

Numr cicluri (durata demarajului)

Wu

(J)

2 mohmi

4 mohmi

6 mohmi

10 mohmi

20 mohmi

Baterie

Figura 3.12. Caracteristicile Wu(n) pentru diverse rezistene 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 UTILIZEAZ SUPERCONDENSATOARE

Utilizarea supercapacitorului n tandem cu

bateria la pornirea motorului cu combustie intern, prezint unele avantaje cum ar fi: posibilitatea de folosirea a bateriilor mbtrnite, exploatate intensiv, descrcate parial sau cu capacitate mai mic deci cu volum redus cu circa 10-30% respectiv greutate redus cu circa 25-40%; extindere a duratei de via a bateriei de 2-3 ori; ndeplinirea condiiilor de mediu deoarece supercondensatorul nu emite substane nocive nici pe durata funcionrii i nici a stocrii [23].

Pe de alt parte, sistemul de management al demarajului propus n lucrare, prevede ca energia supercondensatorul s fie obinut prin recuperare la frnare i la coborrea pantelor [24].

4.1. Strategii de comand a demarajului cu surs de energie hibrid, baterie i supercondensator

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

Acest strategie presupune pornirea pe

supercondensator i decuplarea acestuia sincron cu cuplarea bateriei n momentul n care energia consumat este egal cu energia estimat necesar pornirii, conform formulei

==ct

PLLC WdttItUW0

)()( ,

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

Pot exista urmtoarele situaii: - Energia cedat de supercondensator este cel puin egal cu cea necesar pornirii, nemaifiind necesar comutarea pe baterie; - Energia cedat de supercondensator acoper n cea mai mare parte energia necesar pornirii, Fig.4.1. Suplimentul energetic cerut de la baterie nu o solicit pe aceasta foarte mult; - Energia cedat de supercondensator acoper doar o parte din energia necesar pornirii (Fig.4.2.); bateria fiind intens solicitat, efectul utilizrii supercondensatorului este practic nul.

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

Alura curbelor puterii cedate de o baterie i un supercondensator pe o sarcin constant lucrnd separat sau mpreun (Fig.4.3.) relev posibilitatea de obinere 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 puin

mai mic dect cea necesar 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 mic dect cea necesar pornirii.

tc

ISC(t)

IB(t)

USC(t)

UB(t)

Fig.4.3. Puterile cedate pe o sarcin constant de supercondensator i/sau baterie, n cazul

rezistenei mici a supercondensatorului.


putere maximal debitat pe sarcin [31]. Pentru valori mici ale rezistenei interne a supercondensatorului, surplusul de putere la pornire, este convenabil s fie asigurat, n prima faz, de supercondensator conectat singur la sarcin.

La sistemul hibrid baterie-supercondensator corespunztor figurii 4.3., comutarea de pe supercondensator pe baterie se face n momentul n care puterea cedat de supercondensator egaleaz puterea estimat cedat de baterie, cnd UBe(tc)=UL(tc)=USC(tc), respectiv IBe(tc)= IL(tc)=ISC(tc), unde UBe i IBe reprezint tensiunea respectiv curentul estimat al bateriei, UL i IL tensiunea respectiv curentul prin sarcina constant, USC i ISC tensiunea respectiv curentul prin supercondensator.

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

Randamentul de utilizare a energiei stocate n supercondensator este definit ca raportul procentual dintre energia supercondensatorului utilizat pe durata pornirii, WU, i energia total stocat n supercondensator, WT,

100/ = TUU WW [%].

Pentru parametrii constani UB0 - tensiunea n gol la bornele bateriei, USC0 tensiunea iniial n gol la bornele supercondensatorului, RL rezistena de sarcin, RSC rezistena intern a supercondensatorului i RB rezistena intern a bateriei, randamentul de utilizare a energiei electrice n cazul strategiei SC-B.MaxP va fi

( ) ( )( )[ ] 100//1 200., ++= SCBLBSCLPMaxBSCU URRURR (4.1), iar dependenele de parametrii UB0, USC0, RL, RSC, RB reprezentate n Fig.4.4.

Raportul puterilor maxime cedate sarcinii de supercondensator i baterie la pornire se calculeaz cu formula

( ) ( )( )20000max, /// BSCLBLSCBSCBSCP URRRRUPPr ++== (4.2),

unde PSC0 - puterea maxim debitat de supercondensator iar PB0 - puterea maxim debitat de baterie i exprim capabilitatea supercondensatorului de a asigura un surplus de putere.

Din analiza parametrilor se poate trage concluzia c strategia SC-B.MaxP este adecvat: utilizrii bateriilor uor degradate sau care lucreaz la temperatur sczut (cu rezistena intern mare) sau ncrcate parial (cu tensiune mic la borne); funcionrii demarorului n regim de scurtcircuit; utilizrii de supercapacitoare cu valoare mic a rezistenei interne (


unde WSC este energia supercondensatorului (din catalog) iar U,SC-B.MaxP dat de formula 4.1. Dei n situaia real rezistena demarorului are alura din Figura 4.5., principiul

conducerii dup criteriul impus rmnnd acelai. Deconectarea supercondensatorului i cuplarea bateriei se face atunci cnd curentul dat de supercondensator egaleaz curentul estimat IBe(t) ce poate fi debitat de baterie lucrnd singur, dat de formula

( ))()(/)()( 0 tUtIRtIUtI LLBLBBe += , unde UL(t) tensiunea la bornele sarcinii i IL(t) curentul prin sarcin, valori instantanee.

Pentru maximizarea randamentului de utilizare se recomand ntrzierea comutrii de pe supercondensator pe baterie (Fig.4.6.). Dei n intervalele t1-t2, t3-t4, USC(t)


Cnd rezistena bateriei este mai mic dect cea estimat (datorit temperaturii sczute, a descrcrii profunde sau uzurii acesteia), poate s apar comutarea prematur, tc


ncrcarea lent a supercondensatorului se face cu ajutorul unui circuit de comand a ncrcrcrii (Fig.4.11.) [25], [27], [28], [29]. Tensiunea la pinul SS este modulat astfel nct s se obin profilul dorit al curentului de ncrcare. Pentru supercondensator descrcat complet, tranzistoarele Q1, Q3, Q4 i Q6 sunt nchise iar Q2 i Q5 sunt deschise. Pentru ON/OFF = ON, Q3 i Q6 se deschid, circuitul LTC3780 este pornit. Condensatorul C2 furnizeaz rampa de tensiune iniial pe pinul SS (Q4 nchis), pn la valoarea de 1,5V stabilit de divizorul rezistiv R7 i R8, suficient pentru a menine circuitul LTC3780 n regimul de pornire lent sub curent constant. Cnd tensiunea pe supercondensator este aproape de valoarea final, comparatorul U1 comut pe nivel ridicat, Q4 se deschide iar pinul SS va fi polarizat cu 3V. Circuitul intr n modul tensiune pentru a ajunge rapid la tensiunea final. Meninerea regimului de ncrcare lent, cu curent mic, se face prin modularea tensiunii de referin VREF aplicat comparatorului U1.

4.1.6. Selecia supercondensatorului

Deoarece comportarea adecvat a demarajului se realizeaz cu un supercondensator cu C=100F i RSC6m, se poate adopta modulul de supercondensatoare BMOD0110 P016 B01, (Fig.4.13) cu caracteristicile:

C, F

U, V

ESR, m

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 n cazul algoritmului SC-B.MaxP

este de 57,1%. Pentru o pornire obinuit ce necesit o energie de cca 2kJ, supercondensatorul trebuie s nmagazineze o energie de 4,42kJ. Supercondensatorul adoptat poate nmagazina o energie de 14,48KJ, rezultnd deci c 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 rezult c puterea necesar impus de strategie de 5,36 6,76 kW este mai mic dect puterea maxim disponibil a supercondensatorul.

4.1.7. Selecia traductorului de curent

Pentru msurarea curentului alternatorului se poate utiliza senzorul Hall, CYHCS-K200-30A, fixat pe cablul alternatorului, cu parametrii: domeniul de msur 060A, tensiunea de alimentare +5V5%, semnalul de ieire +2,5V4,5V, precizia 1%, timpul de rspuns


4.2. Implementarea strategiilor de comand a demarajului SC-B.MaxP i BSC-B.MaxP pe platforma experimental

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

achiziie i comand conceput (Fig.3.4.), cu facilitile conexe supercondensatorului, respectiv, msurarea tensiunii pe supercondensator VSC+, a curentului livrat de supercondensator ISC, precum i comanda comutatorului asociat KSC1,2. Algoritmii SC-B.MaxP i BSC-B.MaxP au fost implementai n LabVIEW, programul avnd 3 module, dedicate mrimilor analogice de intrare, mrimilor digitale de intrare i mrimilor digitale de ieire, conectate prin variabilele Kstart i Stop. Pe lng funciile de achiziie, vizualizare i nregistrare, modulul de intrri analogice controleaz funcionarea modulului de ieiri digitale prin variabila Traking. Modulul de ieiri numerice controleaz contactoarelor Kb1,2 dar i Ksc1,2 de ncrcare a supercondensatorului n regim de impulsuri.

4.3. Implementarea strategiilor de comand a demarajului SC-B.MaxP i BSC-B.MaxP ntr-un sistem cu microcontroler ncorporat

4.3.1. Implementarea hardware

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

supercondensator; B baterie; RT regulator de tensiune; RC releu de cuplare; A alternator; M demaror; C-St - circuit pentru ncrcarea supercondensatorului SCSt de la 12V la 16,2V; TC traductor al curentului alternatorului; CCo circuit de condiionare a semnalelor, C microcontroler, nucleul sistemului i 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, meninerea alimentrii releului de cuplare - KP, ntrerupere a alimentrii releului de cuplare - KS.

4.3.2. Implementarea software

n funcionarea sistemului se pot identifica urmtoarele faze (Fig.4.14.): - Predemarajul, faza n care se afl sistemul pn n momentul Kstart KS=ON; motorul

TC

VIAlt KP

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

CCo+C

RC

M =

RT A 3~

SCst B

KSC KB

KStart

USC

UB

VISC

KS

C-St

ON/OFFSt VRE

VKSC VKB

VKS

VKP

VKSta

VKIB

KIB

VIB

KP


autovehiculului este oprit, supercondensatorul (pe perioad m) este meninut ncrcat la valoarea 16,2V prin C-St iar contactele KB i KSC sunt deschise; - Demarajul, n care se intr prin Kstart=ON (tpk), KP=ON i KS=ON; durata demarajului este controlat de KS; n cazul strategiei SC-B.MaxP, KB=False i KSC=True iar n cazul strategiei BSC-B.MaxP, KB= True i KSC=True, n ambele cazuri pn n momentul tc, corespunztor comutrii; din momentul tc, KB= True i KSC= False; la momentul tod, cnd demarorul intr n regim de mers n gol, se comand KS=False, Kp=False, KB=False i KSC=False. - Postdemarajul, cu motor n funcionare i KB=KSC=OFF. Este caracterizat de 3 regimuri de lucru: 1. Normal, autovehiculul ruleaz cu vitez relativ constant, pedala de acceleraie uor apsat, CHARGE=OFF; 2. Accelerare, CHARGE=OFF pentru a suplimentarea puterii motorului; 3. Recuperare, (pe durata 1,2 CHARGE=ON); regimul corespunde frnrii i coborrii pantelor; dac curentul debitat de alternator se apropie de valoarea maxim (caracteristica Ialt(n), Figura 2.2.) se comand micorarea curentului de ncrcare a supercondensatorului SCSt.

KB

tpk

tc

1 m

tok

KSC

Kstart

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

tod

Predemaraj Demaraj Postdemaraj

KP

CHARGE ON/OFF

KS 2


CAPITOLUL V. SUBSISTEMUL DE MANAGEMENT AL PRENCLZITORULUI CONVERTORULUI CATALITIC

5.1. Subsistemul de reglare a compoziiei amestecului combustibil

Acest subsistem face parte din sistemul de management al motorului i are funcia de a

menine raportul aer/ combustibil ct mai aproape de valoarea stoichiometric (14,7/1). Informaia despre coninutul de oxigen al gazelor eapate (dat de senzorului lambda montat n amonte de convertorul catalic), precum i informaiile despre cantitatea i temperatura aerul pentru combustie, poziia clapetei de admisie a amestecului combustibil i presiunea din camera de admisie, permit reglarea adecvat a injeciei cantitii corespunztoare de combustibil. Bucla de reglare a raportului aer/ combustibil previne supranclzirea convertorului catalitic i asigur funcionarea optim a motorului la pornirea, la rece, la sarcini moderate i mari, la acceleraie i deceleraie.

Un element cheie pe traseul de evacuare al gazelor arse este convertorul catalic (catalizatorul), care are rolul de a reduce emisiile de combustibilul nears i CO prin transformarea lor n CO2 i H2O de ctre catalizatorii de paladiu i platin; catalizatorii trivaleni (platina i rodiu) transform oxizii de azot n azot i oxigen [5].

Temperatura la care lucreaz catalizatorul este de 750C (900C pentru catalizatoarele de fabricaie mai recent) i este influenat de coninutul de CO din gazele eapate, ce nu trebuie s depeasc un anumit prag pentru a preveni supranclzirea catalizatorului.

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

Subsistemul de management al prenclzirii catalizatorului propus, are n structur un

supercondensator, prin descrcarea cruia pe o rezisten, se aduce rapid la temperatura minim de lucru (250C) convertorul catalitic. n absena prenclzirii, n intervalul de timp de la pornire pn la atingerea temperaturii optime de lucru a catalizatorului, se emite n atmosfer cea mai mare parte din cantitatea de noxe produs de autovehicul. Cu prenclzire, cantitatea de noxe emise se micoreaz substanial, catalizatorul lucrnd aproape de regimul nominal nc de la pornirea motorului.

Energia electric acumulat n supercondensator este dat de alternator n regimurile Normal i Recuperare. n regimul Accelerare, supercondensatorul este deconectat de la alternator, iar pe perioada staionrii (Predemaraj) este meninut ncrcat de bateria autovehiculului.

Subsistemul (Fig.5.1.) are n componen: RP - rezistena de prenclzire; SCP -

supercondensatorul dedicat prenclzirii; TT - traductor de temperatur; KP - comutator static

ON/OFF

Alternator RP

KIB

KP

SCP

C

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

C-P

TT

Vtemp

LSP

USCP VKP

KM

VK


de conectare la/, deconectare/ de la supercondensator a rezistenei; KM - comutatorul de pornire al autovehiculului, poziia funcionare motor; C-P circuit de ncrcare a supercondensatorului dedicat prenclzirii; LSP lamp (LED) de semnalizare a prenclzirii catalizatorului; C - microcontrolerul sistemului de management al energiei.

Funcie de temperatura iniial a catalizatorului, SCP se descarc complet sau parial prin RP, nainte de pornirea motorului. Perioada descrcrii este semnalizat prin aprinderea lmpii LSP i condiioneaz demarajul prin controlul comutatorului KS (subsistemul de demaraj).

5.3. Selecia componentelor subsistemului

5.3.1. Selecia supercondensatorului

Pentru un catalizator metalic cu volum standard 1 litru, cantitatea de energie necesar creterii temperaturii cu 250C este

kJKKkgJdmdmkgtcVW Ct 100250/5001/8,033

250 ==== , unde este densitatea materialului, V volumul catalizatorului, c cldura specific a materialului iar t creterea de temperatur.

Pentru un catalizator ceramic, cantitatea de energie necesar prenclzirii este

kJKKkgJdmdmkgtccVW aercerCt 36,133250/)10108

71465

8

1(1/5,0)

8

7

8

1( 33250 =+=+==

unde ccer este cldura specific a ceramicii iar caer cea a aerului. Energia necesar prenclzirii poate fi obinut de la un modul de supercapacitoare

BMOD0165 P048 Maxwell, cu urmtoarele caracteristici:

C (F)

U (V)

ESR,dc (m)

to (C)

P (W/kg)

W (Wh/kg)

Ileak (mA)

Iscc (A)

Imax,cc (A)

165 48,6 7,1 -4065 3200 3,81 5,2 4800 150

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

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

Convertorul c.c.-c.c. ridictor de tensiune este bazat pe circuitul LT3751 (Fig.2.6.), ce lucreaz n modul Controler ncrctor de condensatoare (prin aplicarea unei tensiuni pe terminalul FB cuprins n intervalul 0-1,16V).

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

Timpul de ncrcare de la 0 la valoarea nominal de 48,6V va fi de 370395 minute la un randament al transformatorului de 70%. Deoarece, n general, nu toat energia nmagazinat de SCP este utilizat, tensiunea de descrcare nu ajunge la 0V. Valoarea tensiunii finale Uf este

dat de formula CWcUU SCf = 22

0 , unde USC0 este tensiunea iniial a

supercondensatorului (48,6V), Wc energia consumat pentru prenclzire (100kJ - 133kJ), C capacitatea condensatorului (165F). Astfel, tensiunea final pe supercondensator va fi 33,9V pentru catalizatoarele metalice, respectiv 27,4V pentru catalizatoarele ceramice. Cum variaia tensiunii pe supercondensator la ncrcare este aproximativ liniar, timpul de ncrcare poate fi estimat cu formula ( ) 000 / SCfSCi UtUUt = , unde t0 este timpul de ncrcare de la 0V la tensiunea final USC0. Rezult timpii de ncrcare de 1h:52min 2h n cazul catalizatoarelor metalice i de 2h:43min 2h:53min n cazul catalizatoarelor ceramice.

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


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

5.3.3. Selecia rezistenei de prenclzire

Dimensionarea rezistenei de prenclzire a catalizatorului se face cu formula ( )[ ]0/ln/ SCSCfdescPI UUCtR = , unde USC0 - tensiunea iniial pe supercondensator, USCf -

tensiunea final pe supercondensator i tdesc timpul de descrcare. Pentru un timp de descrcare de 20s, USC0=48,6V i C=165F, n cazul catalizatorului metalic cu USCf=33,9V, valoarea rezistenei este de 376m iar pentru catalizatorul ceramic cu USCf=27,4V, valoarea rezistenei de 212m. n calcule se poate neglija puterea disipat pe rezistenele interne ale supercondensatorului (7,1m) i contactorului static (2,5m), mult mai mici dect rezistena