СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКОЙ
METHOD TO CONTROL COMBINED POWER PLANT

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к комбинированным энергоустановкам автотранспортных средств.
Из существующего уровня техники известны комбинированные (гибридные) энергоустановки (КЭУ) последовательной схемы для транспортных средств. В КЭУ последовательной схемы первичный источник энергии совместно с буферным накопителем энергии (БНЭ) обеспечивают питание, по меньшей мере, одного тягового электропривода, а работа КЭУ обеспечивается без внешнего заряда БНЭ. При этом работа первичного источника энергии поддерживается преимущественно в зоне оптимальных рабочих режимов, а БНЭ преимущественно предназначен для сглаживания разницы между энергией, потребляемой на движение транспортного средства, и энергией, вырабатываемой первичным источником. Таким образом, БНЭ аккумулирует энергию от первичного источника при превышении вырабатываемой энергии над расходом энергии, обеспечивающим движение транспортного средства, а при нехватке энергии, вырабатываемой первичным источником, БНЭ разряжается, обеспечивая питание тягового электропривода. В качестве первичного источника энергии может быть использована, например, двигатель-генераторная установка (ДГУ) или топливный элемент (ТЭ).
При использовании в качестве первичного источника энергии ДГУ в настоящее время обычно используют следующие варианты стратегий управления.
В первом варианте стратегии управления двигатель внутреннего сгорания (ДВС) работает на одной режимной точке, принадлежащей зоне оптимальных режимных точек (зона ОРТ), на мощности, соответствующей средней мощности, необходимой для движения по заданному ездовому циклу. В этом случае появляется возможность снизить мощность ДВС в несколько раз по сравнению с традиционной энергоустановкой и обеспечить его работу на стационарном и наиболее эффективном, выбранном заранее режиме. Такая стратегия управления требует очень точного расчета необходимой емкости буфера и оптимальна для случаев движения транспортного средства по заранее известному маршруту движения.
Другой вариант алгоритма работы ДВС в составе КЭУ осуществляется по принципу старт-стоп. В данном случае ДВС должен иметь большую мощность относительно ранее описанного варианта. При достижении верхней границы заряда, следуя данному алгоритму, ДВС выключается и находится в выключенном состоянии до тех пор, пока степень заряженности аккумуляторов не достигнет нижней границы коридора. Как только степень заряженности достигает нижней границы, двигатель снова включается и работает до тех пор, пока степень заряженности не достигнет верхней границы, затем последовательность повторяется. При такой стратегии управления исключается возможность перезаряда буферного накопителя, в некоторой степени снижается вероятность разряда, а также снижается величина необходимой емкости буферного накопителя. Недостатком стратегии является наличие режимов пуска и останова ДВС и, как следствие, ухудшение токсичности, связанное с нестабильностью температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов и нестабильностью процесса смесеобразования. Кроме того, при работе КЭУ, может создаться ситуация, при которой, одновременно с выключением двигателя, наступит момент интенсивного разгона. Вследствие этого на интенсивном разгоне, где необходима постоянная подзарядка накопителей электроэнергии, основной источник энергии будет выключен и как следствие - недостаточность энергии для окончания цикла.
Перечисленные выше недостатки исследованных стратегий управления обусловили целесообразность разработки улучшенного (оптимального) алгоритма управления мощностью, вырабатываемой ДГУ.
Технический результат от применения заявленного изобретения заключается в уменьшении вероятности разряда буферного накопителя электроэнергии и минимизация случаев выключения силовой установки при полностью заряженном накопителе энергии, а также в обеспечении плавности изменения мощности первичного источника энергии для стабилизации режимов его работы в режиме, наиболее близком к стационарному.
Согласно заявленному изобретению осуществляют управление первичным источником энергии, входящим в состав КЭУ последовательной схемы транспортного средства, в которой первичный источник энергии совместно с БНЭ обеспечивают питание, по меньшей мере, одного тягового электропривода. Так, в соответствии с заявленным способом обеспечивают работу КЭУ без внешнего заряда БНЭ, при этом первичный источник энергии может работать в стационарном режиме и с переменной выходной мощностью с различной скоростью ее изменения. В процессе работы КЭУ контролируют фактическое значение степени заряженности БНЭ, разбивая время контроля на временные интервалы Т, после чего определяют среднее квадратическое и среднее значения процесса изменения степени заряженности БНЭ для последнего завершенного интервала Т. В случае если утроенное среднее квадратическое значение процесса изменения степени заряженности БНЭ в последнем завершенном интервале Т меньше 50% полной заряженности БНЭ, то в текущем интервале среднее значение степени заряженности смещают посредством оказания воздействия на орган регулирования первичным источником энергии в сторону значения, характеризуемого разностью указанных полной заряженности и утроенного среднего квадратического значения процесса изменения степени заряженности БНЭ. В случае если же указанное утроенное среднее квадратическое значение больше 50% полной заряженности, то среднее значение степени заряженности смещают в сторону значения, равного величине указанного утроенного среднего квадратического значения, этим обеспечивая минимизацию вероятности выключения первичного источника энергии.
При управлении КЭУ согласно заявленному способу временной интервал контроля Т может быть изменен в сторону уменьшения, обеспечивая уменьшение необходимой емкости БНЭ и увеличивая скорость изменения мощности первичного источника энергии и, наоборот, временной интервал контроля Т может быть изменен в сторону увеличения, обеспечивая тем самым увеличение необходимой емкости первичного источника энергии и уменьшая скорость изменения мощности первичного источника энергии вплоть до режима стационарной работы.
Вероятность достижения максимального или минимального уровня заряда буферного накопителя энергии зависит от двух факторов: степени флуктуации степени заряженности (СЗ) накопителя энергии и величины среднего уровня СЗ. Если рассматривать случайный процесс, характерный для реального движения транспортного средства, то мерой степени флуктуации процесса является среднее квадратическое значение процесса
сз
где  - центрированное значение процесса СЗ (у которого мат. ожидание М=0);
СЗ
D - дисперсия процесса СЗ.
Для случайных процессов нормального распределения вероятность не превышения уровня ±3σ составляет 0,9974.
Среднее значение случайного процесса есть его математическое ожидание:
СЗ
СЗ
mах
mах
Для того чтобы уменьшить вероятность разряда буферного накопителя электроэнергии и свести к минимуму случаи выключения силовой установки при полностью заряженном накопителе энергии необходимо уменьшить величину σ и обеспечить М на уровне 50% от максимальной степени заряженности. Однако целесообразно величину поддерживать на максимально возможном уровне, так как, с практической точки зрения, разряд буферного накопителя энергии (СЗ=0) является крайне нежелательным явлением, приводящим к снижению скорости движения автомобиля, в то время как достижение уровня максимального заряда (СЗ=100%) приводит лишь к выключению первичного источника энергии. Отсюда следует, что вероятность достижения уровня СЗ=0 должна быть минимально возможной, а вероятность достижения уровня СЗ=100% может быть больше. Выполнение этого условия может быть достигнуто путем смещения среднего уровня заряда  к уровню СЗ=100%. Если 3σ<50% СЗ, то  должно быть равно 100%СЗ-3σ, если 3σ>50% СЗ, то средний уровень должен быть 0%+3σ.
Очевидно, что изменяя среднюю величину мощности первичного источника энергии, можно управлять средним уровнем степени заряда буферного накопителя энергии и поддерживать ее на заданном уровне. Функцию управления средним уровнем степени заряда и поддержания его на заданной величине можно осуществить с помощью алгоритма ПИД регулирования.
Плавность изменения мощности первичного источника энергии при управлении по алгоритму ПИД-регулятора зависит от плавности изменения уставки регулирования и плавности изменения фактического значения регулируемой величины. Обе эти величины определяются путем усреднения исходных значений на интервале времени Т. При этом плавность изменения регулируемой величины зависит от интервала усреднения Т. Анализ данных зависимостей показывает, что чем больше величина Т, тем более плавно происходит изменение величины .
Таким образом, выбор интервала Т является компромиссом между обеспечением необходимой плавности изменения управляющего воздействия ПИД-регулятора и, соответственно, мощности первичного источника энергии и быстротой реакции изменения зарядной мощности. Очевидно, что если Т=0, то текущая мощность первичного источника энергии должна быть равна (с учетом КПД) мощности на колесах. В этом случае нет необходимости в аккумуляторе энергии. При увеличении интервала усреднения в результате более плавного изменения мощности первичного источника энергии будет требоваться увеличение емкости буферного накопителя электрической энергии.