Теория эффективного гибрида

[antonio220]

Поле некоторых размышлений и расчётов я решил создать отдельную тему посвящённую концепту действительно полезного гибрида. Тут будут представлены мои выкладки, которые могут разнится с реальностью. Цель сей темы: обсуждение, использование реального опыта и знаний участников для формирования концепта гибрида, достойного существовать.
Акт 1. Вводная.
Начну с причин, почему лично я хочу заняться этой темой с гибридами.
1. Самое удобное управление. Просто крутишь ручку газа и едешь. Притом очень точная регулировка даже на малой скорости. Это, пожалуй, самый важный плюс для меня.
2. Высокая тяга с низов благодаря самому электродвигателю + возможен форсаж из аккумулятора. Идеально для бездорожья по которому я люблю неспеша гонять.
3. Ресурс. Мало деталей, нуждающихся в частом обслуживании. Относительно мотоцикла.
4. Можно добиться высокой эффективности на частичных нагрузках за счёт электроники.
5. Если ДВС сломался, можно дотянуть до ближайшего места, с которого проще начать устранение проблемы.
Из недостатков:
1. Очевидно, больший вес. Тихоходный ДВС, Генератор, аккумулятор, мотор-колесо, немного веса от электроники. Однако, разница в весе в пределах веса самих водителей.
2. КПД. Я прикидывал КПД полной цепи от вала ДВС до асфальта и там набегало что то около 80% на 5кВт. Сравнимо с вариатором но за счёт электроники сложнее и дороже.
3. При сохранении КПД как у вариатора, можно ездить по лёгкому бездорожью. По тяжёлому: используя центральный двигатель с ременной передачей.
4. Сложно. Сложная силовая электроника + программы.
5. Хоть обслуживание и редкое но зачастую сложное.

Примерные параметры:
1. Максимальная скорость. В целом, как показала практика, мне хватает 90кмч. Для достижения таких скоростей достаточно мотор-колеса мощностью 5кВт. Как показывает практика, мотоциклы с такой мощностью спокойно разгоняются до 90кмч. На большинстве трасс ограничение как раз 90кмч а работать с высокими мощностями сложно, так что выше 5кВт пока прыгать не планирую. Зафиксируем.
2. Обороты ДВС привода генератора. Я делаю ставку на ресурс аппарата. Поэтому двигатель будет тихоходным с максималкой на 3600 об/мин. Так как мощность заложена не высокая, то и масса таких решений в сборе достигает 20-22кг. Фиксируем.
3. Напряжение силовой цепи. В идеале 96 вольт. Токи меньше. А греет именно ток. Однако на 96 вольт не так много комплектующих. Потому было решено остановится на 72. Фиксируем.
4. Принцип работы с генератором: электроника будет стремится компенсировать разряд током от генератора. Это даст ощущение что двигатель реагирует на поворот ручки газа а не живёт своей жизнью. Так же это не мешает эффективно ехать на энергии из генератора.
4. Ёмкость аккумулятора: ~1.38 кВт·ч на железофосфате с огромными токами разряда (30А на линию). на 72 вольт с мощностью 5кВт на двигатель, ток контроллера будет около 70А. При почти 100% будет компенсировано генератором а батарея будет сглаживать переходные процессы и моменты форсажа. Вес такого аккумулятора около 12-13кг. И не столь безумно дорогой как в электробайках так как меньше.
5. Электродвигатель. Тут всё сложно.
а) Мотор-колесо. Хорошо тем что нет передач и момент идёт сразу на колесо. Нет передачи посредника, которая может выйти из строя. Из минусов: жутко тяжёлые на такую мощность (18-22кг). А вес внутри колеса это неподрессоренная масса что нехорошо.
б) Центральный мотор. Хорош тем что зачастую имеет более высокое КПД относительно мотор-колёс, меньший вес, обеспечивает чудовищную тягу сразу с 0 скорости и быстро выходит на эффективные обороты что положительно сказывается на КПД. Так как такие двигатели закреплены в раме, их масса подрессорена. Из минусов: занимают место в раме а у нас там генератор и аккумулятор лежат. Нужна передача на колесо. И хотя ременные передачи весьма эффективны и живучи, они уязвимы к повреждениям в условиях бездорожья.
Пока не фиксируем, нужно пообсуждать.

Акт 2. Делаем гибрид более-менее эффективным.

1) Изучаем классику.
В мотоциклах обороты ДВС и колеса жёстко связаны через передачу. Мотоциклетные ДВС не любят работы на низких оборотах. Даже на небольшой нагрузке обороты надо держать 4000-5000. Но нагрузка на них не полная и необходимо уменьшать количество топливовоздушной смеси за такт. Именно смеси а не топлива, так как бедная смесь мало того что медленно горит но и склонна к детонации что не есть хорошо. Поэтому крутим дроссельную заслонку. это тянет за собой насосные потери. Да, расход топлива меньше, но и КПД в таком режиме невысоко. Мотоциклы хороши там где долго едешь на максимальной скорости. Там их превзойти невозможно.
В CVT: скутеры и прочее, можно частично обойти насосные потери, плавно балансируя между оборотами ДВС, степенью открытости заслонки и оборотами колеса. Но бездорожье вариатор не очень любит. К тому же там тоже не всё так идеально с положением заслонки во всём пределе оборотов и нагрузок. В реальности, КПД вариатора скутера от вала до колеса на мощностях 50-60% это 25-30% что уже сопоставимо с электрической трансмиссией. Однако и сам ДВС в таком режиме терпит потери КПД. Поэтому частичные нагрузки не любит даже вариатор, однако он хорош уж тем что не нужно передачи щёлкать и сцепление жать.
2) Что можем сделать мы?
Я решил идти через путь преобразования всей механической мощности с вала ДВС в электричество. Несомненно, в Приусах подход гораздо интересней и эффективней, но лично я не хочу этим заниматься. Мне проще через электричество всё распределить. Да, это уменьшает КПД но мы фичами наберём эффективность выше скутера. Скутеры заняли своё место несмотря на КПД, и этот проект будет не хуже.
так как у нас ДВС нагружен на генератор, то используя преобразователи мы можем снимать ровно столько мощности, сколько ДВС способен выдать на текущих оборотах или столько, сколько нам надо сейчас. Для тех кто не в курсе: Когда в обмотках генератора течёт ток, они действуют как электромагниты, желая остаться на месте. Чем выше ток, тем сильнее они хотят остаться на месте. Поэтому регулируя ток через генератор мы управляем насколько сильно он сопротивляется вращению от ДВС. При примерных подсчётах, на оборотах 2400, Lifan KP230 способен выдать около 3.37 кВт механической мощности на валу. На оборотах 3600 с него можно снять уже 5.8 кВт (если производитель не врёт) механической мощности. то есть мы можем обеспечить полностью открытую заслонку на мощностях в 58%. И не завися от оборотов колеса.  Что бы получать на оборотах 2400 меньшую мощность, заслонка, несомненно, будет прикрываться. Однако это уже очень приличный кусок КПД просто за счёт электроники, которая позволяет снимать разную мощность на неизменных оборотах. И даже ниже 58% вблизи них, КПД всё ещё будет оставаться неплохим в силу малого процента перекрытия канала заслонкой.
Возможно у кого то возникнет вопрос, а как обороты вырастут с 2400 до 3600 если заслонка уже на 100%. Всё просто: автоматика уменьшает ширину импульсов в ШИМ преобразователе, двигатель чуть разгоняется, напряжение возрастает и теперь этот ШИМ импульс при своей укороченной ширине несёт больше энергии. Идея не нова, японцы так и делают.
3) технические нюансы.
Что бы иметь возможность так грузить ДВС, нам нужен не только преобразователь между диодным мостом и аккумулятором. На разных оборотах мы имеем разную скорость хода поршня и что бы сохранять эффективность мало просто впрыснуть топливо. Нужно ещё вовремя поджечь смесь и правильно намиксовать её под разные обороты и нагрузку. Так что желательна форсунка и несколько датчиков. Это непросто. Но без этого мы рискуем упасть в детонацию на некоторых оборотах/нагрузках, в некоторых участках будем беднить, в некоторых богатить. Будем терять КПД из-за искры невовремя и так далее. Выглядит сложно, но например УОЗ на контроллере сделать не сложно. И это будет лучше чем фиксированный угол. Есть некоторые вопросики как этот угол отслеживать, но это технические детали. А с форсункой сложнее, но хотя бы поэкспериментировать имеет смысл.

Итого по силовой установке:
Рассчитываем обмотки генератора так, что бы на оборотах 2400 напряжение с генератора могло быть не просто снижено DC-DC step down а понижено так, что бы cosф генератора был около 1. То есть преобразователь не только понижает но и контролирует напряжение после моста, имитируя с помощью ШИМ активную нагрузку. Да, сейчас понаберут знатоки, дескать не может step down быть корректором мощности. Но для корректора мощности важна суть и эта суть: избегание скачков тока. Обычно скачки тока возникают когда напряжение амплитуды переваливает за барьер диода и там натыкается на конденсатор. Тут их не будет, конденсатора нет (почти, переживёт), ШИМ плавно реагирует на изменение амплитуды после моста имитируя активную нагрузку. Стоит напомнить, что за счёт 3 фаз, после моста колебания напряжения очень малы даже без конденсаторов. Бонусом мы получаем что при повышении оборотов напряжение возрастает, соответственно ток от генератора возрастает всего на 15% при 3600. Это упрощает намотку генератора и схемотехнику преобразователя.
Как это работает: При кручении ручки газа ток в контроллер МК возрастает, бортовой контроллер это видит через датчик тока и реагирует: до 3.37кВт регулирует мощность компенсации разряда поворотом дроссельной заслонки, контролируя что бы преобразователь не откушал столько, что ДВС заглохнет. После 3.37кВт регулирование идёт уже чисто преобразователем. на 3600 оборотах всё, мы в максимуме. Резкие пики мощности из генератора при бросании газа можно ловить как аккумулятором так и сбрасывать на специальные резисторы. Резкие броски тока нагрузки можно сгладить как пропуская сигнал с газульки через бортовой контроллер, не позволяя току увеличится быстрее чем разгонится генератор, либо просто компенсировать аккумулятором. 1 вариант интересней и по духу ближе к мотоциклам. Чисто тактильно будет приятней. Да, можно использовать навороченные контроллеры но сопрягать их с бортовым контроллером та ещё задача, проще завести газульку через цифровой потенциометр или перемножающий ЦАП.

Итого: Несмотря на низкий КПД самой электрической передачи, мы выигрываем на КПД самого ДВС, хоть и в некоторых диапазонах. На вскидку, это не хуже вариатора, вероятно даже лучше. В итоге мы получаем транспорт с огромным ресурсом, небольшими затратами на обслуживание, приличным КПД, потрясающим удобством управления. Платим за это ценой, весом, сложностью электроники.

Такие дела.... Надеюсь на конструктивный диалог а не ситуацию 2 мнений: моего (с точки зрения комментатора) и неправильного. С удовольствием буду отвечать на адекватные вопросы ибо для того эта простыня и написана что бы заранее предусмотреть как можно больше подводных камней. Что то я уже продумал но не написал, что то и не продумал так как не додумался.

[Blik86]

Что бы иметь возможность так грузить ДВС, нам нужен не только преобразователь между диодным мостом и аккумулятором.

Диоды и ДС-ДС вещь лишняя.  ДВС нужно не только грузить, но и заводить... а значит только полноценный контроллер с гибкой настройкой рекуперации.

[antonio220]

только полноценный контроллер с гибкой настройкой рекуперации.

Верно, это step up прямо на обмотках генератора. Реализуется ровно на тех же ключах которые и стартуют генератор. Удобно. Синхронный выпрямитель + повышайка + стартер в 1 флаконе. Очень здравая мысль но... Ходят споры о КПД такого подхода. Так что я даже не рассматривал его долгое время. Однако. Прошло некоторое время с тех пор. Пора снова проработать эту идею. Выглядит очень годно. Надо поискать источник потерь.

[antonio220]

Штош. Я изучил вариант с контроллером в режиме рекуперации. Коротко: это решение действительно используется и может быть эффективным, но оно для заводов.
Причина такова: Для того, что бы провернуть фокус с повышением напряжения прямо на обмотках генератора нужно чтобы железо генератора могло адекватно реагировать на частоту ШИМ преобразователя. В нормальном режиме, генерируя синус, даже при многополюсной конфигурации частота генератора составляет от 1000 до 1500 герц. А вот ШИМ преобразователя молотит на десятках килогерц. а так как ток, который мы снимаем с генератора, становится именно этим пульсирующим током с частотой ШИМ, это вызывает огромные потери в обычной стали статора генератора. Потому многие и заявляют, что КПД рекуперации низкое. Теперь пазл сошёлся.
Что примечательно, в Приусах именно синхронное выпрямление с функцией Boost конвертера и применяют. "Но как же, ведь потери в стали" воскликнет вдумчивый читатель. Ответ прост: у них не сталь. Да, в первой модели была сталь, хотя и очень тонкая (0.1мм). Но уже начиная со второй модели от стали отказались, перейдя на порошок. Такой материал сердечника позволяет быть одновременно и статором генератора и дросселем повышающего преобразователя при этом не превращаясь в индукционную плиту в процессе.

Итого. Подход сохраняется прежний: диодный мост и импульсный преобразователь. Такой хитрый генератор на порошке я точно не найду, хорошо если на листах 0.35мм получится найти. А вот дросселя для сотен килогерц вполне найду. Да, преобразователь будет стараться импульсно потреблять ток, но это влияние на конкретно сами обмотки генератора можно минимизировать. По хорошему они просто утонут в реактивном сопротивлении генератора. Одно дело когда нам нужно использовать саму обмотку как дроссель, другое дело когда нам нужно не пустить на эту обмотку килогерцы от работы ШИМ. А стартануть генератор можно дешёвым контроллером. По сравнению с ценой проекта это решение не разорит.

Кто то в дальнейшем может возразить, мол, выгодней тогда использовать управляемый диодный мост и им регулировать напряжение. Так вот, у него будет ровно та же беда: токи на частоте ШИМ по обмоткам генератора + низкий cosф из-за коммутации на конденсатор. Если речь про регулирование напряжения не идёт а только выпрямление, мы всё равно получим очень печальный cosф из-за жёсткой коммутации обмоток на конденсатор после выпрямителя. Если речь идёт о повышении КПД минимизируя потери на диодах то замечу, что как раз на диодном мосту Шоттки я много и не теряю, а надёжность диодов всяко выше сложных схем на мосфетах. А это, между прочим, важный барьер между аккумулятором и обмоткой генератора и мне бы не хотелось на скорости в 90кмч словить сюрприз в виде КЗ аккумулятора на обмотку вращающегося генератора.

[amaora]

Причина такова: Для того, что бы провернуть фокус с повышением напряжения прямо на обмотках генератора нужно чтобы железо генератора могло адекватно реагировать на частоту ШИМ преобразователя. В нормальном режиме, генерируя синус, даже при многополюсной конфигурации частота генератора составляет от 1000 до 1500 герц. А вот ШИМ преобразователя молотит на десятках килогерц. а так как ток, который мы снимаем с генератора, становится именно этим пульсирующим током с частотой ШИМ, это вызывает огромные потери в обычной стали статора генератора. Потому многие и заявляют, что КПД рекуперации низкое. Теперь пазл сошёлся.

Нет. Это все обычная работа контроллера, при генерации только знак тока меняется. Пульсация на частоте ШИМ мала по амплитуде и уменьшается с ростом частоты. Все функции можно реализовать на двух контроллерах (один на стартер-генератор, второй на привод).

[Blik86]

Ходят споры о КПД такого подхода.

Все современные гибридные авто только так и работают, никто диоды на генератор не ставит.

[antonio220]

Пульсация на частоте ШИМ мала по амплитуде и уменьшается с ростом частоты

Боюсь, это не так. По порядку:
Если напряжение с генератора не дотягивает до напряжения батареи, контроллер будет ШИМить прямо на обмотках и дотягивать. Как и обсуждалось. Да, большую амплитуду на килогерцах там сделать сложно, индукция немалая. Но даже несмотря на малую амплитуду тока во время "накачки" дроселя-обмотки, сам ток, который сможет прорваться через диод до конденсатора за мостом, будет на частоте ШИМ. И именно этот ток будет образовывать весь ток генератора. Ну кроме моментов когда амплитуда самого генератора достаточно велика и способна прорваться за диод.
Нам не хватает напряжения на обмотке. Мы импульсно его получаем в той же обмотке. Это напряжение суммируется с уже имеющимся на обмотке и позволяет прорваться за диод. Но импульсы идут с большой частотой, равной частоте коммутации транзистора так как именно он и инициирует всплеск напряжения для прохода за диод. Значит и ток через всю обмотку будет идти с частотой коммутации транзистора. Более того, из-за конденсатора там мы ещё бонусом получаем переходной затухающий процесс жёсткой коммутации, который хоть и не столь значителен относительно основного импульса, но за счёт намного более высокой частоты затухания вызывает большие потери в стали.

[antonio220]

Все современные гибридные авто только так и работают

Авто да. И выше я писал почему они могут себе это позволить.

[Blik86]

Авто да. И выше я писал почему они могут себе это позволить.

Они могут себе это позволить не по этому, а так как у них в отличии от одиночек гибридостроителей есть как компетентные специалисты так и компетентные программисты.
Если не стоит задача ограничения тока, то ШИМить не обязательно. Ключи можно открывать аналогично тому как открываются диоды и потери на мосфетах ощютимо меньше чем на диодах шотки.

[antonio220]

Боюсь, это не так. По порядку:

Я ещё чуть поразмыслил и понял что не совсем прав. Стыдно, да. Впрочем для того оно и затевалось. Не для стыда а для поиска годных решений. Разрыв зацикленного мышления.
Действительно, именно через обмотку генератора импульсы тока ШИМ будут не велики. Большими и импульсными они будут на диоде между катушкой и конденсатором/батареей. Однако даже небольшие по величине импульсы тока в обмотках, на частоте десятков килогерц это не хорошо и, судя по всему, вызывает достаточно ощутимые потери в статорах из стали. Будем подумать. Вероятно, будет не лишним впредь делать это до ответа...

[Blik86]

Я ещё чуть поразмыслил и понял что не совсем прав.

Вы совсем неправы. Вы рассуждаете о режиме ТОРМОЖЕНИЯ рекуперацией. То есть о поддержании рекуперации несмотря на значительное снижение оборотов. Для генератора это не является сколь бы то значимым режимом, в нем нет необходимости - ДВС должен поддерживать высокие обороты.

Однако даже небольшие по величине импульсы тока в обмотках, на частоте десятков килогерц это не хорошо и, судя по всему, вызывает достаточно ощутимые потери в статорах из стали.

Нет там существенных потерь, если бы были то были бы они и при обычной работе.  Скорость нарастания и спада тока, а значит и потери на перемагничивание от частоты ШИМ не зависят. Частота ШИМ контроллеров ограничена потерями в ключах.

[i]

Частота ШИМ контроллеров ограничена потерями в ключах.

Согласен, но уточню: ограничена динамическими потерями в ключах.
Чем чаще переключаются ключи, тем чаще они проходят через активную зону (это когда активное сопротивление их канала лежит в диапазоне от "почти 0" до "почти бесконечность").

[kor]

Поискал с помощью ИИ внешнюю скоростную характеристику мотора Лифан 230, ИИ не нашел, но нашел на Хонда 200...220см3. Судя по графику оптимальней держать обороты почти неизменными 2400...2600 меняя момент (ток заряда акб) примерно 3...11нм (820...3000вт) дроссельной заслонкой, невзирая на насосные потери. Смысла брать с него 5квт при 3600об ( момент около 14нм) нет судя по графику, если в приоритете эффективность гибридной схемы.
Отсюда возможно эффективнее будет система без шим преобразов, просто трехфазный выпрямитель (активный на МОР транзисторах, возможно еще дроссель для сглаживания пульсаций тока 600...800гц) и управление дросселем по требуемому току заряда акб.

[antonio220]

Поискал с помощью ИИ внешнюю скоростную характеристику мотора Лифан 230

Эк вы загнались, и характеристику даже. Любопытно, что даже число 270 тут фигурирует. Интригует.
Однако... Скорее всего данная характеристика не учитывает что мы способны менять угол подачи зажигания в зависимости от оборотов и не учитывает возможность беднить/богатить смесь от оборотов. Это даже проще чем форсунку обслуживать.
Очевидно что при равном угле зажигания КПД ДВС будет плавать от оборотов, так как пик давления будет приходится на разные углы положения коленвала и шатуна. Вплоть до крайностей, когда давление стало велико ещё до ВМТ и топливо ещё горит в глушителе.
Так что я почти уверен что этот график не учитывает регулировку зажигания. Да, с ростом оборотов будет больше трения но большее влияние на КПД будет оказывать как именно горит смесь и какая именно смесь.

link=msg=2418276 date=1780913551]невзирая на насосные потери[/quote]
Не думаю.. Насосных потерь на частичных нагрузках очень прилично набегает. Да, на 2400 оборотах это не такая жесть как на 5000 у мотоциклов, но всё же. + параметр мощность/масса такого ДВС ухудшается.

И некоторые мысли: другой помощник тут это форсунка. На низких оборотах можно совсем чуть беднить. Такая смесь горит дольше а детонации всё ещё мало подвержена. На более высоких оборотах смесь уже надо готовить нормально, может чуть богатить.

[antonio220]

Вы совсем неправы

Нет. между оборотами 2400 и 3600 разница напряжений с генератора 1.5 раза. То есть на низах, там где мы можем снять 58% всей мощности, у нас будут самые глубокие ШИМ импульсы. А гонять генератор в одной точке невыгодно из-за насосных потерь на частичных нагрузках. Мы тут их избежать хотим вообще то.

Нет там существенных потерь, если бы были то были бы они и при обычной работе.  Скорость нарастания и спада тока, а значит и потери на перемагничивание от частоты ШИМ не зависят.

Есть. Сначала ключ замыкает обмотку, дожидается, скажем, повышения тока на 3А и отпускает обмотку. Выброс напряжения пробивается за диод и по диоду начинает протекать ток обмотки и неспеша падает. Потом, когда ток снижается на 3 ампера, цикл повторяется. Для железа статора эта очень заметные пульсации и на высокой частоте. То есть несмотря на относительно невысокий ток накачки, они порождают огромные потери на токи Фуко и немного потерь на гистерезис, всё же на высокий ток рассчитано железо. Но не на высокую частоту же. Потому даже первый Приус имел статор из стали 0.1мм.
И скорость нарастания/спада тока как раз от частоты ШИМ зависят. С какой частотой дёргается транзистор с такой частотой и меняется ток, который этот транзистор вызывает. А при обычной работе их и нет, нет импульсов на килогерцах.

[edw123]

...Потому даже первый Приус имел статор из стали 0.1мм.
И скорость нарастания/спада тока как раз от частоты ШИМ зависят. С какой частотой дёргается транзистор с такой частотой и меняется ток, который этот транзистор вызывает. А при обычной работе их и нет, нет импульсов на килогерцах.

Железо и 0.1мм - это едва ли на кгц. Все-таки она на фазные частоты, а не на шим.

[antonio220]

В общем ваше упорство заставило меня копнуть ещё глубже. И вот что я могу сказать:
С ростом частоты не только ток вытесняется на поверхность проводника но и магнитное поле начинает неохотно проникать внутрь сердечников. Несомненно, там не всё так просто, но это меняет картину потерь. И вот если забыть про это, можно устроить срач. Теряю хватку...
Так вот, идея со съёмом энергии от генератора мостом-повышайкой может быть не плохой. Да, там и килогерцы и листовая сталь, но есть нюансы. По хорошему замерить бы на реальном подопытном. Генератор то есть а вот контроллер...

Железо и 0.1мм - это едва ли на кгц

Как раз пару килогерц оно хорошо держит. Однако, интернет это свалка и если поискать качественней становится ясно, что 1 модель приуса использовала сталь 0.35мм. Чуть позже 0.27. Судя по всему, им хватало. Ну, думаю хватит и мне.

[kommunist]

и если поискать качественней становится ясно, что 1 модель приуса использовала сталь 0.35мм. Чуть позже 0.27.

Так ты же утверждал что 0,1мм    И даже что порошковый статор... В общем, если поискать ещё лучше, то быстро выяснится, что все поднятые вопросы давным давно разрешены (включая оптимизацию работы стандартного, даже дешманского китайского, двс), и что поднимать надо несколько иные вопросы, которые действительно не разрешены