Энергоэффективная электрическая тяговая система электромобиля на солнечных панелях

Полезная модель относится к электрическим тяговым системам транспортных средств, в частности к электрическим системам, имеющим в составе систему генерации электроэнергии на солнечных панелях. Основные элементы такой электрической системы – электропривод, аккумуляторная батарея и солнечные панели (фотоэлектрические модули). Отличительной особенностью данной модели является наличие модуля расчета оптимального режима движения для прохождения транспортным средством предполагаемого маршрута.
В последнее время солнечная энергетика получает широкое распространение. Вместе с этим, развивается идея создания электромобиля с возможностью использования энергии солнечного излучения с помощью фотоэлектрических элементов, и накопления полученной энергии в аккумуляторной батарее, способного передвигаться на значительные расстояния, используя исключительно энергию Солнца.
Известна тяговая электрическая система электромобиля, включающая в себя аккумуляторную батарею; электропривод; солнечные панели. Во время стоянки возможно увеличение использования солнечной энергии за счет применения дополнительных солнечных панелей (патент CN108284742).
Недостатком этого аналога является повышенная стоимость системы из-за применения дополнительных солнечных панелей, использующихся только при стоянке транспортного средства.
Известна тяговая электрическая система электромобиля на солнечных панелях, включающая в себя аккумуляторную батарею; солнечные панели; электропривод, контроллер солнечных панелей, контроллер аккумуляторной батареи. Массив солнечных модулей разделен на часть высокого и низкого напряжения (патент CN207059794).
В качестве прототипа выбрана электрическая система электромобиля на солнечных панелях, описанная в патенте «Solar car electricity supply system and method». Система включает в себя аккумуляторную батарею, солнечные панели, электропривод, контроллер солнечных панелей (патент CN107901768).
Недостатком вышеперечисленных аналогов и прототипа является отсутствие эффективного контроля за режимом движения транспортного средства с целью снижения энергопотребления.
Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является относительно небольшой запас хода электромобиля на солнечных панелях – расстояния, которое способно преодолеть транспортное средство без заряда тяговой аккумуляторной батареи от сети.
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что в состав электрической тяговой системы, содержащей систему генерации электроэнергии на солнечных панелях, включается модуль расчета оптимального режима движения, который на основе текущих параметров транспортного средства, данных об окружающей среде и математической модели движения транспортного средства способен автоматически поддерживать оптимальный режим движения транспортного средства, при котором заданный участок пути транспортное средство преодолевает с минимальными затратами энергии.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в использовании в составе электрической тяговой системы транспортного средства солнечных панелей, расположенных на кузовных элементах транспортного средства и модуль расчета оптимального режима движения для эффективного использования энергии. Солнечные панели обеспечивают дополнительной энергией тяговую аккумуляторную батарею и электропривод при солнечной погоде. Таким образом, достигается увеличение запаса хода транспортного средства.
На фиг. 1 представлена структурная схема энергоэффективной системы с тяговым электрическим приводом, имеющей в составе систему генерации электроэнергии на солнечных панелях. Сплошными линиями указаны линии питания электрических устройств, пунктиром указаны линии, передающие информационные и управляющие сигналы. На схеме представлены низковольтные устройства 1, понижающий преобразователь напряжения 2, тяговая аккумуляторная батарея 3, панель управления 4, контроллер защиты батареи 5, главное реле 6, педали газа и тормоза 7, контроллер телеметрии 8, реле разряда 9, реле заряда 10, контроллер двигателя (инвертор) 11, контроллер отслеживания точки максимальной мощности солнечных панелей (MPPT) 12, модуль расчета оптимального режима движения 13, тяговый электродвигатель 14, солнечные панели 15.
На фиг. 2 представлена функциональная схема энергоэффективной системы с тяговым электрическим приводом, имеющей в составе систему генерации электроэнергии на солнечных панелях. Схема включает в себя контроллер отслеживания точки максимальной мощности солнечных панелей, реле заряда, реле разряда, токоограничительный резистор 16, главное реле, понижающий преобразователь напряжения, кнопка включения питания 17, реле 18, двигатель, датчик тока 19, предохранитель 20, солнечные панели, тяговую аккумуляторную батарею, вентилятор охлаждения батареи 21, контроллер двигателя (инвертор), панель управления, световые сигналы и гудок 22, педали газа и тормоза, контроллер телеметрии, контроллер защиты батареи и модуль расчета оптимального режима движения, CAN-шина 23. Контроллер телеметрии и контроллер защиты батареи являются аппаратно-программными комплексами на базе программируемых микроконтроллеров.
Тяговая аккумуляторная батарея в электрической системе позволяет сглаживать колебания генерируемой электроэнергии в солнечных панелях.
В целях безопасности используются нормально открытые реле (контакторы), способные при длительной остановке транспортного средства или в аварийном состоянии разомкнуть цепь высокого напряжения и изолировать друг от друга солнечные панели, двигатель и аккумуляторную батарею. Контроллер защиты батареи следит за параметрами аккумуляторной батареи (ток, напряжение, температура) и управляет реле в зависимости от значения этих параметров.
На схеме на фиг.1 представлено главное реле, при отключении которого основная аккумуляторная батарея полностью отключается от всех источников и потребителей электроэнергии. Реле заряда и разряда могут раздельно управлять питанием соответствующих контуров при условии замкнутого главного реле.
Все низковольтные устройства получают питание от понижающего преобразователя напряжения.
Солнечные панели преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую энергию. Если мощность, генерируемая солнечными панелями больше расходуемой, то избыток энергии накапливается в тяговой аккумуляторной батарее. Если мощность солнечных панелей меньше расходуемой, то недостаток энергии компенсируется за счет тяговой аккумуляторной батареи.
Для наиболее эффективной работы солнечных панелей необходимо использование контроллера для отслеживания точки максимальной мощности солнечных панелей (MPPT – Maximum power point tracker) на вольт-амперной характеристике.
Для преобразования постоянного напряжения батареи в переменное и управления двигателем используется инвертор. При торможении двигатель может работать в режиме генератора (рекуперативное торможение).
Контроллер телеметрии получает параметры батареи, солнечных панелей и электропривода в режиме реального времени, наиболее важные параметры отображаются на панели управления. Контроллер телеметрии также определяет текущее местоположение транспортного средства при помощи gps-трекера.
Скорость движения транспортного средства может регулироваться вручную, с помощью электронной педали газа, или автоматически с помощью модуля расчета оптимального режима движения. В этом режиме автоматически поддерживается такая скорость, при которой предполагаемый участок пути транспортное средство преодолевает с минимальными затратами энергии. Включение и выключение режима оптимального движения осуществляется водителем с помощью панели управления.
Модуль расчета оптимального режима движения обрабатывает данные, полученные от контроллера телеметрии, и рассчитывает оптимальную скорость движения для заданного участка пути. Параметры участка пути задаются на панели управления.
Для вычисления оптимального плана использования энергии, осуществляется подбор скорости для каждого из участков маршрута таким образом, чтобы потребление энергии в течение всего маршрута было минимальным.
Оптимальная скорость вычисляется на основе математической модели, построенной на основе энергетического баланса генерируемой и потребляемой энергии. Модель движения транспортного средства, на основе которой рассчитывается оптимальный режим движения, учитывает различные факторы, такие как характеристики маршрута (профиль, протяженность), внешней среды (температура, солнечная активность, ветер) и транспортного средства (масса, коэффициент аэродинамического сопротивления, коэффициент сопротивления качению и т.д.).
Для моделирования приходящей энергии берутся в расчёт следующие характеристики: дата; временной промежуток получения энергии; географическая широта; эффективность солнечных панелей, площадь массива солнечных панелей; погодные условия (температура, затенённость, осадки); рельеф маршрута. Моделирование может быть осуществлено на основе данных об окружающей среде, получаемых в реальном времени, или же на основе заранее собранных статистических данных.
Для моделирования расходуемой энергии используется информация о маршруте и физических характеристиках самого транспортного средства, то есть: рельеф маршрута (длина участка, его наклон, высота); скорость движения транспортного средства; масса; лобовая площадь; коэффициент аэродинамического сопротивления; эффективность тягового компонента (без трансмиссии); коэффициент сопротивления качению.
Расчёт расходуемой энергии сводится к вычислению работы, которую необходимо совершить транспортному средству для преодоления заданного участка трассы. Для этого вычисляются отдельные компоненты работы, в их числе: работа по преодолению аэродинамического сопротивления; работа по преодолению силы сопротивления качения; работа по передвижению транспортного средства в пространстве, в зависимости от профиля маршрута.
Для уменьшения энергопотребления помимо применения наиболее эффективных компонентов (электропривода, солнечных панелей, тяговой аккумуляторной батареи) и облегчения корпуса транспортного средства с системой солнечной генерации, важно использование оптимальной аэродинамической формы транспортного средства для уменьшения аэродинамического сопротивления.