W trakcie hamowania pojazdem elektrycznym jego silnik działa jak prądnica, wytwarzając siłę elektromotoryczną. W klasycznych układach napędowych jest ona zwykle wytracana w postaci ciepła. Możliwe jest jednak jej wykorzystanie do ładowania baterii akumulatorów zasilających silnik w trakcie jazdy i w ten sposób jej praktyczne odzyskanie. Efekt ? znacząca poprawa efektywności energetycznej całego układu napędowego.
W przemyśle związanym z wykorzystaniem napędów elektrycznych termin ?regeneracja? czy ?hamowanie odzyskowe? oznacza wykorzystanie energii elektrycznej związanejz powstającą przy hamowaniu siłą elektromotoryczną (Vemf) w obwodach zasilających jako źródła zasilania (ładowania) baterii akumulatorowych. To działanie odwrotne w stosunku do stanu normalnej pracy układu napędowego, kiedy to bateria akumulatorowa wykorzystywana jest jako źródło napięcia i prądu zasilającego silnik elektryczny napędzający pojazd. Trzeba jednak wiedzieć, że silnik ten przy hamowaniu zaczyna działać jak prądnica. Dlatego też, decydując się na wykorzystanie powstającej wówczas energii, konieczne jest odpowiednie zaprojektowanie układu zasilającego, tak by w czasie rzeczywistym reagował i przestawiał się pomiędzy dwoma trybami pracy ? zasilania i ładowania. Dzięki temu możliwe będzie odzyskiwanie energii elektrycznej i poprawa wskaźników wydajności energetycznej całego układu.
Testy grawitacyjne
Większość systemów napędu elektrycznego zasilanego bateriami akumulatorowymi ma potencjalną możliwość odzysku energii elektrycznej. W pojazdach napędzanych silnikami z magnesami trwałymi realizacja tej idei jest bardzo prosta dzięki naturalnym dla tego typu napędów ustalonym stanom pracy. System taki pracuje w tzw. czterech ćwiartkach (charakterystyka ruchowa ? zależność momentu i prędkości obrotowej silnika), co oznacza, że możliwe jest dla niego sterowanie i pełen monitoring przyspieszenia dodatniego i ujemnego, w obu kierunkach ? do przodu i do tyłu. W stanie ustalonym w dwóch ćwiartkach charakterystyki ruchowej silnika istnieje możliwość wykorzystania powstającej w układzie siły elektromotorycznej. Przy spełnieniu odpowiednich warunków pracy fakt ten może znacząco poprawić efektywność energetyczną i wydłużyć okres pomiędzy kolejnymi ładowaniami baterii. Na rysunku 1 pokazano charakterystykę ruchową pojazdu funkcjonującego w dwu z czterech ćwiartek ? pierwsza: dodatnia prędkość i moment obrotowy; druga: dodatnia prędkość, a ujemy moment obrotowy. Kolejne dwie ćwiartki wyglądają podobnie, przy założeniu ujemnej prędkości ? przeciwny kierunek obrotów. Kierunek obracania się silnika determinuje znak generowanej przez niego siły elektromotorycznej (napięcia Vemf), a wartość prędkości obrotowej ? poziom napięcia. W obu przedstawionych na rysunku 1 stanach pracy układu napięcie generowane podczas ruchu pojazdu ma wartość dodatnią, rosnącą wraz ze wzrostem prędkości. Podsumowując: pojazd poruszający się pod górę wymaga dodatniego momentu obrotowego, tak jak to pokazuje strzałka. Pojazd poruszający się w dół wymaga ujemnego (przeciwnie skierowanego) momentu obrotowego, wyhamowującego.
Model sinika
Na rysunku 2 zamieszczono klasyczny model silnika jednofazowego, z elementami rezystancji, indukcyjności i źródeł siły elektromotorycznej przy pracy prądnicowej, zgodnie z którym przepływ prądu w kierunku dodatnim odpowiada wytworzeniu w silniku momentu obrotowego również w kierunku dodatnim. Zależność pomiędzy polaryzacją napięć baterii i źródła siły elektromotorycznej hamowania (Vemf) warunkuje kierunek przepływu prądu w obwodzie (polaryzacja napięcia siły elektromotorycznej hamowania zależy od kierunku obrotów wału silnika napędowego i w przypadku hamowania jest skierowana przeciwnie do prądu zasilającego z baterii akumulatorów, wytwarzającego moment obrotowy napędzający pojazd). Sterowanie pojazdem w określonych warunkach sprowadza się zatem do proporcjonalnego sterowania przepływem prądu w układzie zasilającym. Możliwe jest to do osiągnięcia dzięki układowi regulacji napięcia, który może doprowadzić do silnika część napięcia o polaryzacji zarówno dodatniej, jak i ujemnej. Napięcie to nazywane jest napięciem efektywnym (Veff). Koncepcja ta jest powszechnie stosowana w serwonapędach (liniowych i z modulacją PWM), gdzie potrzebne jest sterowanie proporcjonalne. Wzór na wartość napięcia efektywnego można otrzymać bezpośrednio z analizy układu pokazanego na rysunku 2:
Veff = Ri + L(di/dt) + Vemf
Gdzie kryje się ten odzysk energii?
Wszystkie punkty pracy układu w ćwiartce 2 (rysunek 1) odpowiadają tzw. dynamicznemu hamowaniu pojazdu. Prąd silnika wytwarza moment obrotowy przeciwny do kierunku ruchu kół (przy uruchomieniu hamulców). Ostatecznie o kierunku prądu w obwodzie decyduje wypadkowa wartości obu napięć ? z baterii akumulatorów i z silnika pracującego jako prądnica.
W warunkach pracy w stanie ustalonym ćwiartka 2 może być podzielona ze względu na znak napięcia Veff, ustalany przez układ sterujący dla wytworzenia prądu silnika. Wydzielony w ten sposób obszar w ćwiartce 2, gdzie znak napięcia Veff jest dodatni (przeciwny do Vemf), to obszar, w którym następuje hamowanie odzyskowe. Sytuację tę pokazano na rysunku 3. W stanie nieustalonym odzysk może nastąpić w dowolnym obszarze pracy układu. Istnieje także tylko jeden obszar dla pracy w stanie ustalonym, gdy prąd płynie w stronę dodatniego bieguna baterii akumulatorów. W tym przypadku bateria jest doładowywana przez układ zasilający. W omawianym systemie ścieżka wymiany energetycznej rozpoczyna się od znanej z fizyki klasycznej przemiany energii potencjalnej (zmiana wysokości pojazdu względem ziemi) w kinetyczną, obracającą koła pojazdu. Te z kolei napędzają wał silnika, który w odpowiednich warunkach zaczyna pracować jak prądnica, generując prąd skierowany ku dodatniemu biegunowi akumulatora.
Jak dotąd w artykule nie poświęcono ani słowa lewej stronie charakterystyki z rysunku 3. W tej części prędkość obrotowa jest ujemna i skutkiem tego siła elektromotoryczna Vemf ma również polaryzację ujemną. Wzajemna zależność pomiędzy napięciem Vemf i wspomnianym wcześniej napięciem efektywnym Veff jest jednoznaczna. Aby doprowadzić do odzysku energii w stanie ustalonym przy ujemnej sile elektromotorycznej hamowania, to również wartość napięcia efektywnego musi być ujemna, a prąd w obwodzie musi mieć kierunek dodatni. Wykres z rysunku 3 dotyczy systemu przedstawianego w artykule, jednak nie traci ważności dla innych prostych układów z inercją, napędzanych silnikami pracującymi w stanach ustalonych. W jeszcze innychsystemach zasilania dodatkowe czynniki zewnętrzne mogą powodować przesunięcie lokalizacji obszarów prezentowanych i zdefiniowanych w niniejszym tekście.
Analiza mostka H
Mostek H to jeden z najbardziej popularnych schematów implementacyjnych czteroćwiartkowych sterowników PWM, dla silników szczotkowych prądu stałego. Sterownik taki steruje proporcjami udziału napięcia zasilania z baterii akumulatorowej w zasilaniu silnika, w stosunku do omawianego napięcia efektywnego Veff. Analiza pracy silnika w stanie ustalonym jest tu sporządzana dla obszaru odzysku energii, przy dodatnim zwrocie prędkości obrotowej. Prąd uzwojenia silnika w stanie ustalonym może być wyrażony w odniesieniu do napięcia efektywnego, siły elektromotorycznej hamowania oraz rezystancji uzwojeń:
Iss = (Veff ? Vemf)/R
Ostatecznie wybór odpowiedniego punktu pracy napędu w stanie ustalonym jest determinowany następującymi warunkami:
- Veff> 0
- Vemf> 0
- Vemf>Veff
- Vbatt>Vemf + RI
Sterownik silnika reguluje wartość napięcia efektywnego na jego zaciskach, sterując kluczowaniem czterech tranzystorów MOSFET w gałęziach mostka H.
Opracował dr inż. Andrzej Ożadowicz, AGH Kraków
CE