Гибридный привод РУСЭЛПРОМ

Предприятия Российского электротехнического концерна «РУСЭЛПРОМ» - ООО «Русэлпром - Электропривод» и ОАО «НИПТИЭМ» по заказу ООО «ЛиАЗ» (дивизион «Автобусы» группы «ГАЗ») выполнили разработку комплекта тягового электрооборудования для городского маршрутного автобуса на основе новой модели низкопольного городского автобуса ЛиАЗ-5292.

В ходе разработки пройдены необходимые этапы математического моделирования, разработки схемотехники и конструкции комплекта тягового электрооборудования (КТЭО), выполненного последовательной схеме: генератора, тягового двигателя, силовой и управляющей электроники, вспомогательных систем питания и охлаждения. Создан испытательный стенд для наладки и испытаний силовой электроники, электрических машин, отработки алгоритмов управления, программного обеспечения контроллеров электропривода и контроллера верхнего уровня для оптимального управления потоками мощности дизеля и накопителя в режимах тяги и торможения. Изготовлены и испытаны на стенде все составные части КТЭО и весь комплект в целом, включая накопитель энергии, выполненный на основе суперконденсаторов фирмы Maxwell.

Весь комплект смонтирован на автобус ЛиАЗ-5292, в составе которого проводятся заводские и полигонные испытания. Экспериментальный образец такого автобуса, демонстрировавшийся на международном автомобильном форуме в Москве 8-12 сентября 2008 г. занял первое место и получил звание «Лучший автобус России 2008 года».

Созданный комплект может легко адаптироваться под применение в современных и перспективных отечественных автобусах различных производителей, различных модификаций (например, «Мичуринский автобус» модель 5277, НефАЗ-5299, «Волжанин» модель Ситиритм-12, ПАЗ-3237, МАЗ-103, МАЗ-203). Последовательная схема наиболее проста в разработке, внедрении, адаптации, оптимальна для городского маршрутного автобуса, экономически наиболее оправдана, что подтверждается опытом мировых и европейских производителей.

Городской автобус с КТЭО РУСЭЛПРОМ удовлетворяет как современным, так и перспективным требованиям:

• по экологичности работы транспортных средств не ниже Евро-4 по Правилам ЕЭК ООН № 49 (04);
• по экономичности – будет иметь транспортную норму расхода топлива не более 30 л/ 100 км при движении в городском цикле (экономия не менее 25% по сравнению с базовым авто-бусом);
• по управляемости и комфортности – превышать базовый автобус по плавности разгона и торможения, характеристикам управляемости, шумности работы;
• по показателям надежности – иметь среднюю наработку на отказ не менее 100000 часов, вероятность безотказной работы КТЭО за время наработки 1000 часов не менее 0,995 при экспоненциальном законе распределения отказов по времени.

• тяговый асинхронный генератор (мотор – генератор) переменного тока (М-Г);
• тяговый асинхронный двигатель (ТАД);
• силовые преобразователи с микропроцессорной системой управления (СП) для АМ-Г и ТАД *;
• буферный накопитель на основе электрохимических конденсаторов (ЭК) -суперконденсаторов;
• контроллер верхнего уровня для управления потоками мощности и тягой с органами управления и отображения информации в кабине водителя;
• тормозной резистор с чоппером *;
• систему питания собственных нужд оборудования КТЭО.

Компоненты гибридного привода РУСЭЛПРОМ

Функциональная схема взаимодействия составных частей комплекта тягового электрооборудования, выполненного по последовательной схеме, имеет следующий вид:

Желтыми стрелками показано направление потоков мощности при разгоне и движении автобуса, коричневым цветом – направление потоков мощности при торможении и остановке, а также при запуске ДВС от накопителя энергии при помощи М-Г.

Рассмотрим аргументы в выборе устройств для реализации отдельных элементов КТЭО.

В качестве АМ-Г и ТАД разработаны, изготовлены и испытаны асинхронные машины. Предпочтение отдано асинхронным низковольтным трехфазным двигателям, так как они простоты по конструкции и обладают уникальными эксплуатационными качествами: имеют большой срок службы, просты в обслуживании и ремонте, отсутствие подвижных электрических контактов обуславливает их высокую надёжность.

В качестве силовых преобразователей - СП М-Г и СП ТАД использованы интеллектуальные интегральные модули трехфазного мостового преобразователя SKAI фирмы Semikron. В состав силового интеллектуального модуля входят силовые ключи на IGBT-транзисторах с антипараллельными FRD-диодами, схемы защиты силовых ключей и формирователи импульсов управления (интеллектуальные драйверы), конденсатор шины постоянного тока, датчики тока, напряжения и температуры. Силовые ключи и технология прижимного контакта фирмы Semikron имеют лучшие характеристики в своем классе и лучшие показатели надежности, устойчивости к энерготермоциклам, что особенно важно для транспортных применений. Модуль имеет чрезвычайно малую внутреннюю паразитную индуктивность, что позволяет строить на нем преобразователь с повышенным напряжением звена постоянного тока (до 900В при IGBT на 1200В). Уникальная конструкция модуля SKAI, специально разработанного для применения в системе тягового привода на автотранспорте, имеет лучшее соотношение цена / качество и позволяет строить преобразователь с возможностью изменения направления передачи мощности – возбуждение асинхронного генератора, управление генератором в режиме двигателя при пуске дизеля и при торможении автобуса, управление тягой асинхронного двигателя и его генераторным режимом при торможении автобуса.

Для управления модулями SKAI разработана плата микроконтроллера управления на базе аналого-цифрового сигнального процессора, в котором реализованы оригинальные алгоритмы векторного управления моментом и скоростью. На фото показано размещение блока силовой электроники (в режиме отладки) с СП М-Г, СП ТАД в заднем свесе автобуса ЛиАЗ-5292 со стороны салона:

В качестве шины управления выбрана шина CAN, обеспечивающая создание простой интегрированной системы управления «КТЭО – органы управления автобуса», с возможностью организации интерфейса для внешних устройств (ноутбук, модуль GPS/ГЛОНАСС). Все микроконтроллеры силовых преобразователей, а также контроллер дизеля связаны CAN шиной с контроллером верхнего уровня, который обеспечивает связь с органами управления и индикации в кабине водителя, связь с другими системами автобуса (ABS, ACS, тормозной и гидравлической системами, усилителем руля и т.п.) и управляет потоками мощности для обеспечения оптимальных по топливной эффективности и уровню выбросов показателей автобуса в городских циклах движения.

Компоновка КТЭО РУСЭЛПРОМ в автобусе ЛИАЗ5292

На фото показано монтаж элементов КТЭО в заднем свесе автобуса – генератора, состыкованного с дизелем с воздушным принудительным охлаждением, блока силовой электроники с системой жидкостного охлаждения, тягового двигателя. Блок накопителей и вспомогательных источников расположен на крыше автобуса:

Улучшение экономических и экологических показателей работы энергоустановки автобуса с КТЭО обусловлено качественно другим режимом работы ДВС в ее составе. Дизельный двигатель будет работать в стационарном режиме, оптимальном по экономии топлива и выбросам вредных веществ. Применение дизеля меньшей мощности в гибридном автобусе по сравнению с серийным, возможность рекуперации энергии при торможении, движении накатом или сбросе скорости позволит сэкономить до 50% топлива. Управляемость гибридного автобуса и комфортность его обеспечивается скоростью реакции системы органов управления и электропривода на управляющие воздействия водителя, которая для электрической системы на порядок превышает скорость реакции механической или гидромеханической системы. Шумность тягового оборудования снизится за счет исключения механической связи между ДВС и колесами (половина элементов механической трансмиссии) и применения ДВС меньшей мощности по сравнению с традиционной схемой. Применение электронной системы управления тяговым приводом позволит реализовать функции управления и сервиса, недоступные на обычном транспортном средстве.

Мнения специалистов о разработках РУСЭЛПРОМ

По оценкам специалистов дивизиона «Автобусы» группы «ГАЗ» увеличение стоимости автобуса на стоимость КТЭО с учетом уменьшения стоимости дизеля меньшей мощности, удаления автоматической коробки передач и т.п. только за счет экономии топлива в 25 % окупится через 100 – 120 тыс. км пробега. А если учесть снижение эксплуатационных затрат на обслуживание, ремонт и расходные материалы, повышение ресурса работы дизеля, а также снижение уровня выбросов почти в 10 раз городской автобус с гибридной силовой установкой не зря считают пожалуй единственным экономически и технически оправданным путем получения экономии топлива и экологической чистоты на городском автомобильном транспорте.

Совершенно очевидно, что создаваемый автобус с комплектом тягового электрооборудования для последовательной гибридной электромеханической трансмиссии будет конкурентоспособным по соотношению цена/качество не только на внутреннем, но и на внешнем рынке.

Рынок городских автобусов с гибридной установкой

Зарубежный рынок городских маршрутных автобусов с гибридной силовой установкой оценивается в 10 000 автобусов в год. При средней цене таких автобусов 400 тыс. ЕВРО ежегодный (начиная с 2010 года) объем продаж составит около 4 млрд. евро (около 150 млрд. рублей).

Концерн «РУСЭЛПРОМ», обладая научно-техническим и производственно-технологическим потенциалом по выпуску всех компонентов тягового электрооборудования для гибридных городских автобусов: тяговых генераторов и двигателей, силовой и управляющей электроники, а вместе с ЗАО «ЭЛТОН» и накопителей, готов предложить отечественным и зарубежным автобусным заводам комплект тягового электрооборудования и адаптировать его на низкопольные городские маршрутные автобусы, выпускаемые этими заводами.