Petr Vysoký
Více než sto let jezdily automobily po světě vybaveny několika málo regulačními smyčkami (regulátorem hladiny v plovákové komoře karburátoru, odstředivým regulátorem předstihu a termostatem pro regulaci pracovní teploty motoru). Dnešní automobily jsou vybaveny řídicí jednotkou, jejímž hlavním úkolem je řídit hnací spalovací motor. Tedy řídit okamžik zážehu a okamžik vstřiku paliva tak, aby byl splněn jistý kompromis mezi účinností motoru a přípustnými exhalacemi při různých podmínkách a zatížení motoru. Tato jednotka obsluhuje ale množství dalších regulačních smyček (ABS, ESP apod.).
S nástupem hybridních a elektrických automobilů přibývá v automobilech mnoho dalších regulačních smyček, které vyžadují specifický přístup k návrhu. V hybridních automobilech je nutné řídit vedle spalovacího motoru také elektrickou pohonnou jednotku a dále příslušné toky energie:
-
tok mechanické energie z obou pohonných jednotek,
-
tok elektrické energie z baterie do elektrické pohonné jednotky,
-
tok elektrické energie z elektrické pohonné jednotky provozované jako generátor při rekuperaci do akumulátoru energie – baterie či superkondenzátoru.
Ve všech vozidlech s elektrickým pohonem využívajících elektrochemickou baterii je třeba mnoho dalších regulačních smyček k zajištění optimálního využívání baterie vzhledem k účinnosti, životnosti atd. Každý elektrický automobil musí být také vybaven větší či menší nabíjecí jednotkou, která umožňuje řízené nabíjení v různých režimech. To ale již jde o požadavky na potřebnou infrastrukturu. Velké nabíjecí stanice urychlující nabíjení, srovnatelně s tankováním benzinu či nafty, jsou zatím nutně – vzhledem k velkému elektrickému příkonu – součástí infrastruktury.
Řízení pohonných jednotek
Vzhledem k tématu příspěvku zde nebude probírána otázka skládání momentů vyvozovaných jak spalovacím motorem, tak elektromotorem, což je důležité u paralelních hybridních vozidel, ale bude uvažován jen čistě elektrický pohon. Jako pohonná jednotka se v elektrických vozidlech (kolejových) tradičně používal stejnosměrný motor. Pro dosažení větší výkonové hustoty, která je důležitá zejména u silničních vozidel, se převážně používají motory s točivým polem (asynchronní motory s kotvou nakrátko či synchronní motory s permanentními magnety), popř. reluktanční motory. Větší výkonové hustoty se dosahuje tím, že motor pracuje při vyšších frekvencích nebo při vyšším napětí. Tři fázově posunuté harmonické složky napájecího proudu pro motor se aproximují šířkovou modulací, tedy vhodným řízením třífázového invertoru, zpravidla osazeného tranzistory IGBT.
Řízení otáček a momentu asynchronního či synchronního motoru změnou frekvence je mnohem komplikovanější než klasické řízení stejnosměrného motoru změnou napětí. Asynchronní motor se při řízení změnou frekvence chová jako nelineární systém. Změní-li se frekvence, mění se reaktance statorového vinutí, a tím se mění i proud statoru. Proto je nutné současně měnit napájecí frekvenci i napájecí napětí motoru. Naproti tomu asynchronní motor řízený změnou frekvence umožňuje dosáhnout průběhu momentové charakteristiky podobné jako u stejnosměrného motoru s cizím buzením.
Rozlišuje se zde tzv. skalární a vektorové řízení indukčních motorů. U skalárního řízení (obr. 1) jde o klasickou zpětnovazební regulaci rychlosti, kdy do regulátoru rychlosti vstupuje odchylka mezi žádanou rychlostí ww a rychlostí skutečnou w, změřenou snímačem rychlosti, a výstup regulátoru řídí frekvenci invertoru. Výstup tohoto regulátoru je současně vstupem pro tabulkový regulátor, který podle frekvence řídí výstupní napětí invertoru. Tento způsob řízení se však používá jen pro méně náročné pohony.
Mnohem propracovanější je vektorové řízení, pomocí něhož lze řídit též magnetický tok a dosáhnout rovné momentové charakteristiky v širokém rozsahu otáček. Otáčky v širokém rozsahu jen málo závisejí na zatěžovacím momentu. Momentová charakteristika takto řízeného motoru je velmi podobná momentové charakteristice dříve oblíbeného stejnosměrného motoru s cizím buzením.
Při skalární (frekvenční) regulaci udržují regulační obvody činnost motoru v lineární oblasti momentové charakteristiky, tedy pro skluz od 0 do kritického skluzu sk. Skluz je rozdíl mezi synchronní rychlostí točivého pole asynchronních motorů a skutečnou rychlostí kotvy motoru. Běh motoru v optimálních podmínkách je zaručen jen v ustálených stavech.
Pro vektorové řízení je třeba znát statorové proudy a napětí, okamžitou úhlovou rychlost motoru a také statorový a rotorový magnetický tok. Zejména měření zmíněných magnetických toků je velmi obtížné, a proto se hledají metody, které by přímé měření nevyžadovaly. Zpravidla se magnetické toky a další veličiny odhadují z dobře měřitelných veličin, jako jsou napětí a proudy.
Většinou se vychází z linearizovaného stavového modelu motoru a chybějící stavy se rekonstruují pomocí Luenbergových pozorovatelů či pomocí Kalmanových filtrů. Často se též používá adaptivní model (realizovaný např. pomocí neuronových sítí), který může průběžně identifikovat stavový model v měnícím se pracovním bodu, a tím minimalizovat chyby způsobené nelinearita-mi reálného motoru. Je zde mnoho možností, jak provést bezsnímačové vektorové řízení asynchronního či synchronního motoru, a vzhledem k rozšíření tohoto pohonu se stále hledají nové cesty. Podrobnější objasnění struktury regulačního obvodu pro vektorové řízení přesahuje rozsah tohoto krátkého příspěvku, a je popsáno v literatuře, např. v [5]. Zmíněné identifikační a estimační algoritmy jsou z výpočetního hlediska dosti složité, a proto mnoho výrobců s úspěchem používá nelineární řízení (např. tzv. sliding mode) nebo fuzzy řízení, které bude zmíněno v dalším textu.
Hospodaření s energií – tzv. energy management
Užitečnost hybridních automobilů je založena na tom, že jsou využívány dvě pohonné jednotky (spalovací motor a elektromotor), které jsou přepínány tak, aby pracovaly s co nejlepší účinností. Spalovací motor pracuje s nejlepší účinnosti v okolí jmenovitých otáček a jmenovitého momentu. Je tedy výhodný pro dlouhé jízdy po dálnici, ale dosti nevýhodný při pojíždění ve městě nebo v dopravní zácpě (kongesci). V tom případě motor většinou běží naprázdno nebo s velmi malým výkonem a také s velmi malou účinností. V případě pojíždění v kongesci má výborné vlastnosti elektromotor, který nemá žádný běh naprázdno a může být efektivně regulován na velmi malý výkon. Brzdí-li se spalovacím motorem, veškerá kinetická energie se promění v teplo a je nenávratně ztracena. Elektromotor může při brzdění pracovat jako generátor a elektrickou energii ukládat do akumulátoru, tedy rekuperovat.
Účinnost spalovacích a elektrických motorů v závislosti na momentu a úhlové rychlosti je zachycena na obr. 2 a obr. 3. Jde o mapy účinnosti v souřadném systému moment versus úhlová rychlost. To na první pohled vypadá jako momentová charakteristika. Mapa účinnosti je ale tvořena vrstevnicemi, které vzniknou jako spojnice bodů, při kterých motor pracuje se stejnou účinností. U spalovacího motoru lze vrstevnice kalibrovat okamžitou spotřebou paliva. V případě účinnosti tvoří mapa jakýsi kopec, jehož nejvyšší vrchol odpovídá maximální účinnosti. Na obrázcích je silná čára extremála, po které by se měl pohybovat pracovní bod motoru, a šipky směřují ke globálnímu extrému.
Podobnou mapu je možné sestrojit i pro baterii jako závislost odebíraného či dodávaného výkonu na stavu nabití baterie pro jistou účinnost (obr. 4). V případě spotřeby tvoří mapa „jámu“, jejíž nejnižší bod odpovídá nejmenší spotřebě. Nejmenší ztráty, a tedy největší účinnost, jsou v oblasti vyznačené elipsou – při středním výkonu, např. přibližně 20 kW, a stavu nabití zhruba 75 %. V této oblasti by měla být baterie ponejvíce provozována.
Strategie řízení hybridních automobilů spočívá v efektivním řízení toků energie mezi oběma typy pohonných jednotek a akumulátorem energie (baterií či superkondenzátorem) tak, aby výsledná účinnost byla co nejlepší, tedy aby byla spotřeba energie co nejnižší. To je více méně klasická úloha optimálního řízení. Klasické metody optimálního řízení však vyžadují přesný formální popis jednotlivých bloků. Vzhledem k tomu, že tento popis není k dispozici, používají se většinou metody přibližné. Velmi úspěšně se zde uplatňují poměrně jednoduché fuzzy regulátory. Například regulátor pro ukládání přebytečné enerie do baterie a udržování stavu baterie je Sugenovský regulátor [7] s velmi jednoduchou bází pravidel. Zaveďme si tyto proměnné:
SB stav nabití baterie,
Psp požadavek řidiče na celkový mechanický výkon,
Pgen elektrický výkon elektromotoru jako generátoru,
ωem úhlová rychlost elektromotoru.
Stav baterie se popisuje pomocí čtyř fuzzy množin: příliš vybitá, vybitá, normální, plně nabitá; úhlovou rychlost elektromotoru pomocí tří množin (nízká, optimální, vysoká) a požadavek řidiče na celkový výkon pomocí dvou množin (normální a vysoký). Funkce příslušnosti pro všechny fuzzy množiny jsou trojúhelníkové nebo trapezoidální. Báze pravidel je potom takováto:
1. Jestliže je SB „plně nabitá“, pak Pgen = 0.
2. Jestliže je SB „normální“ a Psp je „normální“ a ωemje „optimální“, pak Pgen = 10 kW.
3. Jestliže je SB „normální“ a ωemnení „optimální“, pak Pgen = 0.
4. Jestliže je SB „vybitá“ a Psp je „normální“ a ωem je „nízká“, pak Pgen = 5 kW.
5. Jestliže je SB „vybitá“ a Psp je „normální“ a ωemnení „nízká“, pak Pgen = 15 kW.
6. Jestliže je SB „příliš vybitá“, pak Pgen = Pgen max.
7. Jestliže je SB „příliš vybitá“, pak koeficient k = 0.
8. Jestliže je SB „příliš vybitá“ a Psp je „vysoký“, pak Pgen = 0.
9. Jestliže je SB „příliš vybitá“, pak koeficient k = 1.
Požadavek řidiče reprezentuje příslušné sešlápnutí akceleračního pedálu (0, +1) či sešlápnutí brzdicího pedálu (0, –1). Požadavek je interpretován, vstupuje do fuzzy regulátoru a regulátor řídí invertor tak, aby docházelo k příslušnému toku výkonu mezi generátorem a baterií. Tedy nadbytečný výkon spalovacího motoru a rekuperační výkon při brzdění se ukládají do baterie a v případě velmi vybité baterie je baterie pomocí výkonu ze spalovacího motoru intenzivně dobíjena. Na obr. 4 je znázorněna mapa účinnosti baterie. Elipsa ohraničuje oblast pracovních bodů baterie, které zaručuje daný fuzzy regulátor. Udržuje tedy pracovní podmínky baterie tak, aby bylo dosahováno co nejlepší účinnosti.
Podobný regulátor funguje pro případy, kdy část nebo celý mechanický výkon přebírá elektromotor, např. při pojíždění při velmi malé rychlosti, pro jejich spolupráci je určen koeficient k. Regulátor spolehlivě udržuje baterii v okolí optimální účinnosti. Poznamenejme, že není žádoucí, aby baterie byla stále dobita na maximum. Musí být ponechána určitá rezerva kapacity na energii z rekuperačního brzdění.
Řízení nabíjení a vybíjení baterie
Nejnákladnější součástí elektromobilů a hybridních automobilů je a dlouho jistě bude baterie. Proto je nutné pečlivě řídit proces nabíjení a vybíjení tak, aby baterie dosahovala maximální životnosti. Ale systém pro řízení a monitorování baterie má mnoho dalších funkcí. V souvislosti s pohonnými jednotkami již bylo zmíněno, že baterie má poskytovat vyšší napětí. Z tohoto důvodu jsou články řazeny v sérii. Články ale mají různé vnitřní odpory, a proto na nich není rovnoměrně rozloženo napětí. Každý článek je individuálně monitorován, je měřeno jeho napětí a teplota. Napětí na článku je nutné udržovat v určitých mezích a totéž platí pro teplotu článku. To zajišťuje speciální regulátor – balancér. Ze změřených hodnot se odhaduje stav nabití baterie a zejména její životnost. Životnost článku je chápána jako dynamický systém, kdy výstup, tedy životnost v daném okamžiku, závisí na historii. Proto je nutné ukládat v paměti počet nabíjecích a vybíjecích cyklů, maximální a minimální napětí, maximální nabíjecí a vybíjecí proudy a teploty při různých provozních podmínkách. Z těchto veličin se potom odhaduje životnost jednotlivých článků a životnost celé baterie. Mezi zmíněnými veličinami a životností článků není jasná deterministická zákonitost. Mnohé fyzikální souvislosti dosud nejsou dostatečně známy, každý typ baterie se chová trochu jinak. Odhady životnosti se provádějí pomocí nástrojů, jako jsou rozšířené Kálmanovy filtry, nebo mnohem častěji pomocí neuronových sítí či fuzzy estimátorů, které jsou schopny lépe využít empirické znalosti a zkušenosti, o které se odhady stále značně opírají. Metody pro odhad životnosti a do značné míry i odhady stupně nabití baterie jsou stále cenným know-how jednotlivých firem a detaily nejsou příliš často publikovány.
Hlavním úkolem zařízení pro tzv. battery management je řízení nabíjení baterie. Každý elektromobil a většinou i hybridní automobil musí být vybaven nějakou autonomní nabíjecí stanicí. Tyto nabíječky jsou většinou navrženy na relativně malé proudy a plné nabití baterie trvá několik hodin. Ale stále častěji se začínají používat rychlonabíjecí stanice, které jsou většinou záležitostí příslušné infrastruktury. Tyto velké nabíjecí stanice umožňují plné nabití baterie v řádu desítek minut, což je srovnatelné s dobou potřebnou na tankování klasických paliv. Při tomto rychlém nabíjení (desítky až stovky ampérů) dochází k velkému ztrátovému ohřevu na vnitřním odporu baterie. Systém „battery management“ musí zaručovat řízení účinného chlazení baterie (vzduchové či častěji kapalinové chlazení), aby při nabíjení nebyla baterie tepelně poškozena či významně zkrácena její životnost. Systém musí s takovou nabíječkou komunikovat a dodávat všechny již zmíněné údaje.
Velmi atraktivní se zdá být budoucí využití baterií elektromobilů v energetice. Předpokládá se spolupráce řekněme domácí nabíječky s tzv. chytrou sítí. Majitel elektromobilu by baterii svého vozidla pronajal dodavateli či distributoru energie např. na noc a distributor by se zaručil, že ráno dodá baterii plně nabitou, přičemž během noci by ji mohl využívat podle svých potřeb. Při předpokládaném velkém počtu elektrických vozidel jde o akumulaci nezanedbatelného množství energie, což by mohlo pomoci při využívání energie z nespolehlivých obnovitelných zdrojů. To ovšem vyžaduje intenzivní vzájemnou komunikaci mezi dodavatelem energie a řídicím systémem nabíjení baterie. Dodavatel energie by musel mít průběžně k dispozici všechny údaje o stavu nabití a životnosti baterie, o kterých zde již byla zmínka.
Závěr
V příspěvku byly naznačeny nové regulační problémy, které s sebou nese použití hybridních a elektrických vozidel. Většina těchto problémů je řešitelná a je řešena použitím klasických přístupů, jako je stavové řízení, optimální řízení atd. Vzhledem k tomu, že v mnoha případech není k dispozici dostatečně přesný formální popis řízených systémů a velmi často je nutné se opírat o empirické znalosti, značná část realizací v praxi využívá metody, jako je použití fuzzy řízení či neuronových sítí, které empirické znalosti a zkušenosti dovedou lépe zužitkovat.
Literatura:
[1] CHAN, C. C.: The state of the art of electric, hybrid, and fuel cell vehicles. Proc. IEEE, 2007, vol. 95, pp. 707–718.
[2] ZERAOULIA, M. – BENBOUZID, M.: Electric motor drive selection issues for HEV propulsion systems: a comparative study. IEEE trans. on vehicular technology, 2006, vol. 55, pp. 1756–1774.
[3] SALMASI, F. R.: Control strategies for hybrid electric vehicles: evolution, classification, comparison and future trends. IEEE trans. on vehicular technology, 2007, vol. 56, pp. 2393–2404.
[4] BAUMANN, B. M. – WASHINGTON, G. – GLENN, B. C. – RIZZONI, G.: Mechatronic design and control of hybrid electric vehicles. IEEE trans. on mechatronics, 2000, vol. 5, pp. 58–72.
[5] BLÁHA, P. – VÁCLAVEK, P.:
Bezsnímačové řízení asynchronních motorů. Automa, 2003, 3,
s. 19–22.
[6] LI, C. Y. – LIU, G. P.: Optimal fuzzy power control and management of fuel cell/battery hybrid vehicles. Journal of power sources, 2009, vol. 192, pp. 523–533.
[7] SCHOUTEN, N. J. – SALMAN, M. A. – KHEIR, N. A.: Energy management strategies for parallel hybrid vehicles using fuzzy logic. Control engineering practice, 2003, vol. 11, pp. 171–177.
[8] CONTE, F. V.: Battery and battery management for hybrid electric vehicles. Elektrotechnik & informationtechnik, 2006, vol. 123, pp. 424–431.
Petr Vysoký,
katedra řídicí techniky a telematiky,
Dopravní fakulta ČVUT v Praze
Obr. 1. Skalární (frekvenční) řízení asynchronního motoru
Obr. 2. Mapa účinnosti spalovacího motoru
Obr. 3. Mapa účinnosti elektromotoru
Obr. 4. Mapa účinnosti baterie