Three-phase inverter used as a DC-DC converter in a hybrid energy system; modeling and control

Kolmivaiheinvertterin käyttö tasasähkökatkojana

hybridisovelluksissa: mallinnus ja säätö

Sähkötekniikan korkeakoulu

Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 17.10.2011.

Työn valvoja:

Prof. Kai Zenger

Työn ohjaaja:

DI Mikko Hirvonen

Лк Ч 4 Aalto-yliopisto Sähkötekniikan korkeakoulu

TIIVISTELMÄ SÄHKÖTEKNIIKAN KORKEAKOULU

Tekijä: Johannes Saarinen

Työn nimi: Kolmivaiheinvertterin käyttö tasasähkökatkojana hybridisovelluksissa: mallinnus ja säätö

Kieli: Suomi

Päivämäärä: 17.10.2011 Sivumäärä:9+82

Automaatio- ja systeemitekniikan laitos

Professuuri: Systeemitekniikka Koodi: AS-74

Valvoja: Prof. Kai Zenger Ohjaaja: DI Mikko Hirvonen

Työssä tutkitaan hybridijärjestelmän energiavarastoon liitetyn kolmivaiheisen tasasähkökatkojan parametrien ja varaston jännitteen estimointia sekä virtasää- timen viritystä. Katkoja ohjaa tehonsiirtoa energiavaraston ja kuorman välillä.

Energiavarastona käytetään akkua tai superkondensaattoria.

Järjestelmälle kehitetään simulointimalli, jonka avulla menetelmiä tutkitaan.

Estimointiin käytetään pienimmän neliösumman menetelmää eri mallirakenteilla.

Energiavaraston jännitettä estimoidaan lisäksi suoralla laskennalla. Parametrien estimointi onnistuu hyvin erillisellä identifiointiajolla, mutta ei lataamisen tai purkamisen aikana. Energiavaraston jännitteen estimointi ajon aikana toimii, ja mallin epävarmuuden vaikutus tarkkuuteen on kohtuullisen pieni. Pienellä teholla ajettaessa virran ohjaus voidaan hetkittäin pakottaa tilaan, jossa estimointi on mahdollista.

Katkojan vaihevirtojen PI-säädinten virittämiseen käytetään napojen aset- telumenetelmää. Menetelmällä saadaan säätimelle toimiva viritys. Järjestelmän nopeutta rajoittavat säädön diskretoinnin aiheuttamat viiveet ja käytetty kytken- tätaajuus. Kokeissa havaitaan lisäksi, että PI-säätimen toimintakyky heikkenee epäjatkuvalla toiminta-alueella, jossa virta on nolla osan kytkentäjaksoa.

Avainsanat: tasasähkökatkoja, hybridijärjestelmä, energiavarasto, PNS-esti- mointi, säädön virittäminen

SCHOOL OF ELECTRICAL ENGINEERING master’s thesis

Author: Johannes Saarinen

Title: Three-phase inverter used as a DC-DC converter in a hybrid energy system: modeling and control

Date: 17.10.2011 Language: Finnish Number of pages:9+82 Department of Automation and Systems Technology

Professorship: Control Engineering Code: AS-74

Supervisor: Prof. Kai Zenger

Instructor: M.Sc. (Tech.) Mikko Hirvonen

This thesis deals with estimation and current control of a three-phase DC-DC converter connected to an energy storage in a hybrid energy system. Estimation of both the converter parameters and the energy storage voltage are investigated.

The converter controls the flow of power between the load and the storage, which is either a battery or a supercapacitor.

The used methods are investigated using a simulation model. For the esti­

mation, least squares estimators using different model structures are used.

Additionally, the energy storage voltage is calculated directly. The parameters can be estimated well when using a separate identification run, but not during charging or discharging. The energy storage voltage can be estimated well during normal operation, and the effect of model uncertainties on the estimate is rela­

tively small. When operating with low power, the current can momentarily be driven so that estimation is possible.

The pole placement method is used to tune the phase current PI control­

lers. A functional tuning is obtainable using the method. The control speed is limited by the switching frequency and the delays caused by discretization. In addition, it is found that the performance of the PI controller deteriorates when the converter is operating in the discontinuous conduction mode and the current is zero during part of the switching period.

Keywords: DC-DC converter, hybrid system, energy storage, LS estimation, controller tuning

Alkusanat

Tämä diplomityö on tehty ABB Oy Drivesin System AC -tulosyksikössä Helsigissä.

Diplomityön teko on työläs prosessi. Siksi on ollut onni, että olen saanut matkan varrella apua ja tukea. Kiitokseni kuuluu siis työn ohjaajalle Mikko Hirvoselle, joka on jaksanut neuvoa ja ohjastaa sekä kommentoida lukuisia luonnoksiani. Diplomi­

työn valvojana on toiminut professori Kai Zenger, jota haluan myös kiittää työn rakenteen ja sisällön asiantuntevasta kommentoinnista. Kiitoksen ansaitsevat myös Teemu Salmia erittäin hyödyllisistä neuvoista ja ohjeista, diplomityöntekijäkollegat Anton Rosqvist, Lasse Kankaanranta ja Matti Jaatinen vertaistuesta, motivoinnista ja työnteon piristämisestä sekä kaikki muut diplomityön valmistumiseen tavalla tai

toisella myötävaikuttaneet.

Lisäksi tahdon myös kiittää vanhempiani tuesta ja kannustuksesta. Viimeisenä ja kenties tärkeimpänä kiitoksen kohteena on kihlattuni Noora, jonka henkinen tuki diplomityön teon aikana on ollut korvaamatonta.

Helsinki, 17.10.2011

Johannes Saarinen

Sisältö

Tiivistelmä ii

Tiivistelmä (englanniksi) iii

Alkusanat iv

Sisällysluettelo v

Symbolit ja lyhenteet vii

1 Johdanto 1

2 Hybridijärjestelmä

2.1 Toimintaperiaate...

2.2 Sovelluskohteet...

2.3 Hybridijärjestelmien luokittelu . . . 2.3.1 Voimansiirron arkkitehtuurit 2.3.2 Hybridisointiaste...

2.4 Energiavarastot...

2.4.1 Vaatimukset...

3 3 5 6 6 7 8 8

2.4.2 Akku 9

2.4.3 Superkondensaattori...

2.5 Hybridijärjestelmän säätömenetelmät

12

15 3 Tasasähkökatkojat

3.1 Toimintaperiaate...

3.1.1 Jännitettä laskeva katkoja (buck) 3.1.2 Jännitettä nostava katkoja (boost) 3.1.3 Kolmivaiheinen puolisiltakatkoja.

3.2 Keskiarvoistettu tilamalli...

3.3 Kytkinten ohjaus...

18 18 18 19

. 20 22 25 4 Estimointi ja säätö

4.1 Prosessin mallin identifiointi...

4.1.1 Pienimmän neliösumman menetelmä

26 26 26

4.1.2 Askelvastekoe...

4.2 PID-säädin ...

4.3 PI-säätimen viritysmenetelmät . . 4.3.1 AMIGO...

4.3.2 Napojen asettelumenetelmä

27 29 30 30 31 5 Järjestelmän mallintaminen ja simulointi

5.1 Katkojajärjestelmän matemaattinen malli . 5.1.1 Hetkellinen malli...

5.1.2 Keskiarvoistetut ja linearisoidut mallit 5.1.3 Siirtofunktiot...

5.2 Simulointimalli...

5.2.1 Fysikaalinen malli...

5.2.2 Ohjausjärjestelmän malli...

5.3 Estimointi...

5.3.1 Järjestelmän parametrien estimointi PNS-menetelmällä .... 42 5.3.2 Energiavaraston jännitteen estimointi

34 34 34 35 37 38 38 40 42 45 6 Simulointitulokset

6.1 Katkojan parametrien ja jännitteen estimointi...

6.1.1 Parametrien estimointi erillisellä identifiointiajolla...

6.1.2 Parametrien ja energiavaraston jännitteen estimointi latauk­

sen ja purkamisen aikana...

6.1.3 Energiavaraston jännitteen estimointi, kun latausteho on pieni 60 6.1.4 Parametrivirheiden vaikutus energiavaraston jännitteen esti­

mointiin ...

6.2 Virran PI-säätimen viritys napojen asettelumenetelmällä

46 46 46 56

61 65

7 Yhteenveto 77

Viitteet 80

Liite A 82

Symbolit ja lyhenteet

Symbolit

A Systeemimatriisi

Systeemimatriisi kytkimen asennolla 1 Systeemimatriisi kytkimen asennolla 2 Ohjausmatriisi

Ohjausmatriisi kytkimen asennolla 1 Ohjausmatriisi kytkimen asennolla 2

PID-säätimen P-termin asetusarvon painokerroin Kapasitanssi

Välipiirin kondensaattorin kapasitanssi Energiavaraston kapasitanssi

PID-säätimen D-termin asetusarvon painokerroin Pulssisuhteen DC-komponentti

Pulssisuhteen DC-komponentti komplementti Vaiheen j pulssisuhteen DC-komponentti Pulssisuhde

Pulssisuhteen poikkeama toimintapisteestä Pulssisuhteen komplementti

Hystereesisäädön virtaa kasvattava pulssisuhdeohje Vaiheen j pulssisuhde

Vaiheen j pulssisuhteen poikkeama toimintapisteestä Hystereesisäädön virtaa pienentävä pulssisuhdeohje Vasteen poikkeama asetusarvosta

PID-säätimen derivoivan osan virhetermi PID-säätimen verrannollisen osan virhetermi Kytkentätaajuus

Säädinten ja estimaattoreiden näytteenottoväli Mittauksien näytteenottoväli

Virran idc DC-komponentti Vaiheen j virran DC-komponentti

Muiden laitteiden kuin katkojan välipiiristä ottama virta Virran idc poikkeama toimintapisteestä

Energiavaraston virta

Energiavaraston virran ohjearvo Katkojan välipiiristä ottama virta Kelavirta

Vaiheen j virta

Vaiheen j virran poikkeama toimintapisteestä Vaiheen j virran ohjearvo

Aj A2 В Bl B2

b

c

Cdc Ces

c D D‘

DLj

d d d'

dh dij dij

di

e ed

ep fs h

hmeas Ide I Lj

^dc

^dc les ilf

l9 ÍL

iLj

lLj■ref lLj

K PID-säätimen vahvistus Vahvistuksen maksimiarvo

Ensimmäisen asteen siirtofunktion staattinen vahvistus Puhtaan integraattorin vahvistus

Kelan induktanssi

Ld Ensimmäisen asteen siirtofunktion viive Lesi Ekvivalenttinen sarjainduktanssi

Vaiheen j induktanssi

Rekursiivisen PNS-yhtälön matriisitermi Ekvivalenttinen sarjaresistanssi

Resr,dc Välipiirin kondensaattorin sarjaresistanssi Restes Energiavaraston sarjaresistanssi

Rl Kelan sarjaresistanssi

Rlj Vaiheen j kelan sarjaresistanssi Rinnakkaisresistanssi

Laplace-muuttuja

sLj Vaiheen j kytkimen asento

Vaiheen j alemman haaran kytkimen asento Vaiheen j ylemmän haaran kytkimen asento Kytkimen johtoaika

Ensimmäisen asteen siirtofunktion aikavakio Keskimääräinen viipymäaika

Td PID-säätimen derivointiaika

Mallista pois jätettyjen aikavakioiden ja viiveiden summa PID-säätimen integrointiaika

Kytkentäjakson pituus

PID-säätimen anti-windup -toteutuksen aikavakio U Ohjausvektorin DC-komponentti

Udc Välipiirin jännitteen DC-komponentti [/eSi0 Energiavaraston jännitteen DC-komponentti

Ues Energiavaraston terminaalijännitteen DC-komponentti Ohjausvektori

û Ohjausvektorin poikkeama toimintapisteestä Udc Välipiirin jännite

ûdc Välipiirin jännitteen poikkeama toimintapisteestä ues Energiavaraston terminaalijännite

Energiavaraston lähdejännite

Energiavaraston lähdejännitteen poikkeama toimintapisteestä

^max

Kp Kv L

Lj P

Resr

Rp S

sLj,a sLj,y

t_on T TA ar

Te T-L г

T_{1 s} Tt

u

^es,0 Ûes,0

Tulojännite Lähtöjännite

Estimointivirheen neliösumma Tilavektorin DC-komponentti Tilavektori

Tilavektorin poikkeama toimintapisteestä Signaalin x keskiarvo

Selittävä suure kaikista näytteistä Selittävä suure yhdestä mittauksesta z-muuttuja

Rekursiivisen PNS-yhtälön painotustermi Hystereesikaistan yläraja

Hystereesikaistan alaraja

Suljetun silmukan karakteristisen yhtälön suhteellinen vaimennus Parametrivektori

Parametriestimaatti

PNS-estimaattorin unohduskerroin Selitettävä suure kaikista näytteistä Selitettävä suure yhdestä mittauksesta

Suljetun silmukan karakteristisen yhtälön taajuus

^in l^OUt X

X X X

Y У z 7 А/

C в в л

ф Ф

Шо

Operaattorit

(')ts Signaalin keskiarvo kytkentäjakson ajalta (•)h Mittauksien keskiarvo säätöjakson ajalta Lyhenteet

AMIGO Approximate M constrained Integral Gain Optimization BMS

CCM CPM DCM

Battery Management System

Continuous Conduction Mode, jatkuva toimintatila Current Programmed Mode

Discontinuous Conduction Mode, epäjatkuva toimintatila Proportional Integral Derivative

Pienin neliösumma PID

PNS

PPS Peaking Power Source

Pulse Width Modulation, pulssinleveysmodulaatio State of Charge, akun varaustila

PWM SOC

Alati kohoavat fossiilisten polttoaineiden kustannukset ja päästötavoitteet ovat syn­

nyttäneet tarpeen vaihtoehtoisille energiamuodoille ja energian säästämiselle. Yk­

si viime aikoina paljon mielenkiintoa herättänyt keino on hybridijärjestelmä, jonka tunnetuin esimerkki on hybridiajoneuvo. Hybridiajoneuvoissa voimansiirtoon käyte­

tään polttomoottorin rinnalla sähkömoottoria. Koska sähkömoottori voi tarvittaessa toimia myös generaattorina, voidaan jarrutusenergia ottaa talteen, eikä sitä tarvitse hukata lämmöksi. Tämä on erityisen hyödyllistä esimerkiksi työkoneilla tai jake­

luautoilla, jotka tavallisessa toiminnassaan joutuvat kiihdyttämään ja jarruttamaan usein.

Tässä työssä keskitytään hybridijärjestelmän energiavarastoyksikköön, joka raken­

tuu varsinaisesta energiavarastosta ja tasasähkökatkojasta. Energiavarastona käy­

tetään tavallisesti joko akkua tai superkondensaattoria. Katkojaa käytetään ohjaa­

maan energiavarastoon siirtyvää tai sieltä otettavaa tehoa. Tämän työn järjestelmäs­

sä käytetään kolmivaiheista tasasähkökatkojaa. Kolmivaiheisessa rakenteessa katko­

jan kaikkien vaiheiden tasavirrat summataan yhteen energiavaraston virraksi. Sen yhtenä etuna on, että katko jana voidaan käyttää tavallista invertteriä muokatulla ohjauksella. Lisäksi sopivilla vaihesiirroilla voidaan pienentää energiavaraston virran sykkeisyyttä.

Tämän työn tarkoituksena on tutkia simulointimallin avulla tasasähkökatkojan mal­

lintamista ja säätöä. Katkojan matemaattisen mallin johtamista ja sen parametrien estimointia selvitetään, ja samalla tarkastellaan virran säätöä Pl-säätimillä. Tutki­

muksen perimmäisenä tavoitteena on säädinten automaattinen virittäminen. Hybri­

dijärjestelmän kokonaisuudessa tasasähkökatkoja on pieni - vaikkakin oleellinen - komponentti, ja säädön automaattinen virittäminen yksinkertaistaisi käyttöönotto- prosessia huomattavasti. Täydellisen automatisoidun viritysprosessin rakentamiseen ei tässä työssä kuitenkaan pyritä.

Lisäksi työssä selvitetään, miten energiavaraston jännitettä voidaan estimoida. Jän­

nitteen tunteminen on tärkeää, jotta akkua tai superkondensaattoria ei ladata liian täyteen tai pureta liian tyhjäksi. Tavallisessa invertterissä mitataan vain välipiirin jännite ja vaihevirrat, jolloin ylimääräinen jännitemittaus vaatisi muutoksia lait­

teistoon. Toisaalta vaikka energiavaraston jännite mitattaisiinkin, estimaatin avulla voidaan varmistua mittauksen toimivuudesta.

Diplomityön aloittaa kirjallisuuskatsaus. Ensin käsitellään yleisesti hybridijärjestel­

mää ja sen rakennetta, jonka jälkeen esitellään järjestelmän komponentit. Pääpai­

no on energiavarastojen, eli akun ja superkondensaattorin, käsittelyssä. Seuraavaksi siirrytään käsittelemään katkojia ja niiden toimintaperiaatteita. Aluksi esitellään muutamia yleisiä katkojarakenteita, minkä jälkeen tarkastellaan katkojan mallin­

tamisen teoriaa. Lopuksi käsitellään lyhyesti katkojan komponentteja ja kytkinten ohjauksen periaatteita. Kirjallisuuskatsauksen viimeisessä osuudessa aiheena on sää­

tö ja estimointi. Ensin käsitellään prosessin mallin estimoinnin menetelmiä, minkä jälkeen esitellään PID-säädin ja tarkastellaan sen virittämismenetelmiä.

Mallinnusluvussa esitellään simulointimallin toiminta. Ensin katkojan virralle ja vä­

lipiirin jännitteelle johdetaan matemaattiset mallit, joista lasketaan myös siirtofunk­

tiot. Tämän jälkeen esitellään työssä käytetty simulointimalli. Luvun lopuksi esitel­

lään käytetyt estimaattorit ja niiden toimintaperiaate. Käytetystä mallirakenteesta riippuen estimointia ei voida suorittaa jokaisella ajanhetkellä, joten tässä käsitellään myös estimaattoreiden aktivointilogiikkaa.

Mallin esittelyn jälkeen esitellään simulointikokeet ja niiden tulokset. Ensin ko­

keillaan katkojan parametrien estimointia erillisellä identifiointiajolla. Tämän jäl­

keen keskitytään energiavaraston jännitteen estimointiin energiavaraston latauksen ja purkamisen aikana. Lisäksi tutkitaan estimointia, kun latausteho on pieni, ja pa­

rametrivirheiden vaikutusta estimaattoreiden toimintaan. Estimointikokeiden lisäk­

si selvitetään säädön virittämistä napojen asettelumenetelmällä. Viritysmenetehnän yhteydessä tutkitaan myös Pl-säädön toimivuutta katkojan virran ohjauksessa. Vii­

meisessä luvussa kootaan yhteen työn tulokset.

2 Hybridijärjestelmä

Toimintaperiaate 2.1

Hybridijärjestelmä on voimansiirtojärjestelmä, jossa käytetään useampaa energia­

lähdettä tuottamaan vaadittu teho. \ leensä energialähteitä on kaksi, joista toinen toimii primääri- ja toinen sekundaarilähteenä, Primäärienergialähteen tehtävänä on tuottaa keskimäärin tarvittava teho. Tavallisesti primäärilähteen tehonsiirto on yk­

sisuuntaista, eli se kykenee ainoastaan syöttämään energiaa järjestelmään. Sekun­

daarilähdettä käytetään kompensoimaan tehontarpeen vaihteluita. Sen on kyettävä kahdensuuntaiseen tehonsiirtoon, eli myös varastoimaan hybridijärjestelmän energi­

aa. [1]

Yksisuuntainen tehonsiirto Primääri- 'X

energia­

lähde

J Energia-

\ muunnin

> r

E ■H Kuorma

kr Sekundaari-

energia­

lähde

I Energia-

\ muunnin

T „ . T.

Kaksisuuntainen tehonsiirto

Tehon virtaus, kun ajetaan kuormaa

> Tehon virtaus, kun ladataan sekundaarilähdettä Kuva 1: Hybridijärjestelmän toimintaperiaate [1]

Kuvassa 1 on esitetty kahden energialähteen hybridijärjestelmän toimintaperiaate ja tehon mahdolliset kulkureitit. Sekundaarilähde on yhdistetty voimansiirtoon sähkö- moottorilla, joka toimii jarrutustilanteissa generaattorina ja syöttää tehoa takaisin lähteille. Myös primäärilähde voi olla yhdistetty sähkömoottoriin. Hybridijärjestel­

mällä on yhdeksän mahdollista toimintatilaa, jotka on esitelty alla. [1]

1. Ainoastaan primäärilähde syöttää tehoa kuormalle.

2. Ainoastaan sekundaarilähde syöttää tehoa kuormalle.

3. Molemmat lähteet syöttävät tehoa kuormalle.

4. Sekundaarilähde saa tehoa kuormalta.

5. Sekundaarilähde saa tehoa primäärilähteeltä.

6. Sekundaarilähde saa tehoa sekä kuormalta että primäärilähteeltä.

7. Primäärilähde syöttää tehoa sekä kuormalle että sekundaarilähteelle.

8. Primäärilähde syöttää tehoa sekundaarilähteelle, joka syöttää tehoa kuormalle.

9. Primäärilähde syöttää tehoa kuormalle, joka syöttää tehoa sekundaarilähteelle.

Käytössä oleva toimintatila riippuu muun muassa kuorman tehontarpeesta, sekun­

daarilähteen varaustilasta ja järjestelmän ohjauksesta. Lisäksi kaikki yhdeksän toi­

mintatilaa eivät ole mahdollisia kaikilla hybridijärjestelmärakenteilla. Kuvassa 2 on esimerkki hybridiajoneuvon toteutuksesta. Primäärilähde on polttomoottori, joka pyörittää generaattoria. Generaattorin tuottama kolmivaiheinen vaihtovirta muu­

tetaan tasavirraksi tasasuuntaajalla ja syötetään välipiiriin. Invertteri muuttaa vä­

lipiirin tasavirran vaihtovirraksi, jolla pyöritetään sähkömoottoria. Sähkömoottori on kytketty ajoneuvon voimansiirtoon. Sekundaarilähde on energiavarasto, joka on myös yhteydessä välipiiriin tasasähkökatkojan välityksellä. Katkoja ohjaa tehon siir­

tymistä välipiirin ja energiavaraston välillä.

Generaattori Välipiiri Sähkömoottori

M

G M

Vaihteisto

3~ 3~ 3~

Polttomoottori

Tasasuuntaaja Invertteri

Tasasähkökatkoja Energiavarasto

Kuva 2: Hybridijärjestelmän toteutus

On myös mahdollista, että energialähteitä voi olla enemmän kuin kaksi. Voidaan esi­

merkiksi käyttää sekundaarilähteinä sekä akkua että superkondensaattoria. Tällöin akkua käytetään kompensoimaan keskinopeita kuormavaihteluita, ja superkonden­

saattoria käytetään tuottamaan huipputeho silloin, kun akun nopeus ei riitä. [2]

Hybridijärjestelmän käytön etu on joustavuus. Eri toimintamoodeja yhdistämäl­

lä voidaan optimoida tehokkuutta ja energiankulutusta. Primäärilähteeksi valitaan yleensä energialähde, joka toimii parhaiten tasaisella kuormituksella. Kun sekun­

daarinen energialähde kompensoi kuormituksen satunnaisia ja nopeita vaihteluita, primäärilähde voi toimia optimaalisella toiminta-alueella. [1] Lisäksi primäärilähde voidaan mitoittaa keskimääräisen tehon mukaan, millä voidaan säästää kustannuk­

sia [3] Energiaa säästetään myös ottamalla jarrutusenergiaa talteen.

Hybridijärjestelmillä on kuitenkin myös haittapuolia. Energiavarasto, tehoelektroni- set komponentit ja sähkömoottorit lisäävät kustannuksia ja painoa, mikä on oleel­

linen seikka varsinkin hybridiajoneuvoissa. Myös luotettavuus voi heiketä, kun po­

tentiaalisesti vikaantuvia laitteita on aiempaa enemmän. Erityisesti ajoneuvoissa ongelmia ovat myös hybridijärjestelmän korkean jännitetason aiheuttamat turvalli­

suusriskit ja tehoelektroniikan synnyttämät sähkömagneettiset häiriöt. [4]

2.2 Sovelluskohteet

Hybridiajoneuvot ovat hybridijärjestelmien ilmeisin sovelluskohde. Niissä käytetään sekä poltto- että sähkömoottoria. Molemmat moottorit voivat olla yhteydessä voi­

mansiirtoon, tai sitten polttomoottoria käytetään pelkästään sähkömoottorin teho­

lähteenä. Kaikissa tapauksissa tarvitaan yleensä akku puskuroimaan tehonvaihtelui- ta, kun polttomoottori tuottaa enemmän tehoa kuin vaaditaan, tai vastaavasti kun tehontarve on polttomoottorin tuottamaa tehoa suurempi. [4|

Yksi erityinen hybridiajoneuvojen luokka ovat raskaat työkoneet, jakeluautot ja pai­

kallisbussit, joiden tavallinen ajosykli sisältää paljon jarrutuksia ja kiihdytyksiä.

Näissä sovelluksissa energiavaraston avulla on mahdollista saavuttaa suuria polt- toainesäästöjä. [4, 5| Kirjallisuudesta löytyy esimerkkejä, joissa hybridijärjestelmää on käytetty muun muassa trukeissa [5], konttinostureissa (3) ja paikallisbusseissa (4].

Näissä sovelluksissa käytetään monesti superkondensaattoreita.

Muita hybridijärjestelmiä käyttäviä ajoneuvoja voivat olla polttokenno- ja sähkö- autot. Polttokennoautoissa pääasiallisena tehonlähteenä on polttomoottorin sijasta polttokenno. Sähköautoissa taas primäärilähde on akku. [4] Näissä voidaan hybri­

diajoneuvojen tavoin lisäksi käyttää sekundaarisena energiavarastona superkonden­

saattoria tai pientä akkua kompensoimaan nopeita tehonvaihteluita. Varsinkin polt­

tokenno kestää huonosti korkeataajuisia kuormanvaihteluita, joten polttokennoajo- neuvoissa jonkinlainen sekundaarinen tehonlähde on lähes välttämätön [6].

Energiavarastoja voidaan lisäksi käyttää järjestelmissä, joissa pääasiallinen teho saa­

daan sähköverkosta, kuten esimerkiksi hisseissä tai nostureissa. Monesti tällaisissa tilanteissa ylimääräinen teho voidaan syöttää takaisin verkkoon, jolloin energian va­

rastointi ei ole välttämätöntä. Varastoinnilla voidaan kuitenkin tasoittaa verkosta otettua tehoa ja parantaa koko järjestelmän tehokkuutta [7]. Lisäksi esimerkiksi mo­

net hissit sijaitsevat rakennuksissa, joissa kahdensuuntainen tehonsiirto ei ole mah­

dollista, jolloin hybridijärjestelmän hyödyt ovat ilmeisemmät [8].

(a) Sarjahybridi (b) Rinnakkaishybridi

Poltto­

moottori Poltto­

moottori Polttoaine

Moottori/

Generaattori

Generaattori Suuntaaja

Sähkö-

moottori Sähkö-

moottori

Suuntaaja Akusto Suuntaaja

Polttoaine

Akusto

Hybridijärjestelmien luokittelu 2.3

2.3.1 Voimansiirron arkkitehtuurit

Hybridiajoneuvojen voimansiirto voidaan jaotella neljään pääasialliseen arkkiteh­

tuuriin, jotka on esitetty kuvassa 3. Tavallisimpien sarja- ja rinnakkaismuotois­

ten hybridien lisäksi on kehitetty monimutkaisemmat sarja-rinnakkaismuotoiset ja kompleksiset hybridit. |4]

Poltto­

moottori Poltto­

moottori

Polttoaine Polttoaine

ж

Generaattori

Sähkö- _ moottori

■ Suuntaaja ■

Akusto Sähkö-

moottori Suuntaaja

Akusto

(c) Sarja-rinnakkaishybridi (d) Kompleksinen hybridi

^■i Sähköinen yhteys ---- Hydraulinen yhteys ---- Mekaaninen yhteys

(e) Merkkien selitykset

Kuva 3: Hybridiajoneuvojen voimansiirron arkkitehtuurit [4]

Sarjamuotoisessa hybridiajoneuvossa (kuva 3a) ainoastaan sähkömoottori on yhtey­

dessä voimansiirtoon, ja polttomoottorin energia muutetaan sähköenergiaksi gene­

raattorin avulla. Tätä energiaa käytetään pyörittämään sähkömoottoria ja lataa­

maan sekundaarista energiavarastoa, esimerkiksi akkua. [4] Sarjamuotoisen hybri­

din polttomoottori voidaan yleensä mitoittaa tavanomaista pienemmäksi, eikä tarvitse kompensoida tehonvaihteluita. Täten polttomoottoria voidaan ajaa jatku­

vasti optimaalisella toiminta-alueella. Toisaalta energiavarasto on mitoitettava ta­

vanomaista suuremmaksi, jotta saadaan riittävä huipputeho. Lisäksi sarjamuotoinen hybridi tarvitsee sekä sähkömoottorin että generaattorin, joka tekee siitä rinnakkais­

muotoista ratkaisua kalliimman. [9] Myös polttokennoautot voidaan luokitella sarja­

sen

Voimansiirto VoimansiirtoVoimansiirto

Voimansiirto

muotoisiksi hybrideiksi [4]. Kuvan 2 ajoneuvo on esimerkki sarjamuotoisen hybridin toteutuksesta.

Rinnakkaismuotoisessa hybridiajoneuvossa (kuva 3b) sekä polttomoottori että säh­

kömoottori ovat yhteydessä voimansiirtoon, ja sähkömoottorin tehonlähteenä toimii akku. Jarrutettaessa tai ajettaessa pelkästään polttomoottorin avulla sähkömoot­

tori voi toimia generaattorina ja ladata energiavarastoa. [4] Rinnakkaismuotoisessa rakenteessa kokonaishyötysuhde on yleensä parempi, koska polttomoottorin mekaa­

nista energiaa ei tarvitse muuttaa välillä sähköiseksi. Rinnakkaisen hybridin ener­

giavarasto voidaan mitoittaa pienemmäksi kuin sarjamuotoisessa rakenteessa, eikä arkkitehtuurissa tarvita generaattoria. [9]

Yleisesti sarjamuotoinen rakenne on parempi urbaaneissa ajo-olosuhteissa, joissa on paljon kiihdytyksiä ja jarrutuksia. Rinnakkaismuotoinen järjestelmä on hyödyllisem­

pi pidemmillä matkoilla, joissa kuormitus on tasaisempaa. Näiden lisäksi on kehitet­

ty sarja-rinnakkaismuotoinen ja kompleksinen arkkitehtuuri, jotka ovat molemmat sarja- ja rinnakkaismuotoisten arkkitehtuurien yhdistelmiä. [4]

Sarja-rinnakkaismuotoisessa hybridissä (kuva 3c) polttomoottori on yhteydessä sekä generaattoriin että suoraan voimansiirtoon. Kuvassa 3d esitelty kompleksisen hybri­

din rakenne on samanlainen, mutta polttomoottori on yhdistetty sähkökoneeseen tehonjakolaitteen välityksellä, jolloin tehoa voi siirtyä molempiin suuntiin. Tämä mahdollistaa toiminnan, jossa ajoneuvoa ajetaan samanaikaisesti polttomoottorilla ja kahdella sähkömoottorilla. Molemmat rakenteet yhdistävät sarja- ja rinnakkais­

muotoisten arkkitehtuurien hyvät puolet, mutta ne ovat toisaalta verrattain moni­

mutkaisia ja kalliita. [4]

2.3.2 Hybridisointiaste

Hybridiajoneuvoja voidaan luokitella voimansiirtorakenteen lisäksi myös hybridi- sointiasteen mukaan. Tämä määritellään pääasiassa sähköisen tehon osuuden ja sähkömoottorin toimintojen perusteella. Jako tehdään mikro-, kevyt ja täyshybridei- hin. [9] Yleisesti hybridisointiasteen kasvattaminen vähentää polttoaineenkulutusta, mutta toisaalta ajoneuvon hinta vastaavasti kasvaa [4].

Mikrohybridissä sähkömoottoria käytetään pääasiassa avustamaan ajoneuvoa liik­

keellelähdössä ja pysäytyksessä. Näissä sovelluksissa moottori on pieni ja yksinker­

tainen, ja sen tehtävänä on käytännössä korvata auton käynnistysmoottori ja vaihto- virtageneraattori. Tavallisessa henkilöautossa sähkömoottorin teho on noin 2,5 kW.

Mikrohybridi on käytännöllinen kaupunkiolosuhteissa, jossa pysähdyksiä on usein.

Tällöin polttoaineenkulutusta voidaan vähentää jopa 15 %. [9]

Kevythybridissä hybridisointiaste on viety mikrohybridiä pitemmälle. Henkilöau­

toissa sähkömoottorin teho on tyypillisesti 15-20 kW. Alhaisilla nopeuksilla (10-20 km/h) autoa voidaan ajaa täysin ilman polttomoottoria. Sähkömoottori voi myös avustaa kiihdytyksissä, jolloin polttomoottori voidaan mitoittaa hieman pienem­

mäksi. [9] Kevythybridin avulla voidaan saavuttaa 20-30 % säästö polttoaineenku­

lutuksessa [4].

Ultracapacitor

Short-Period

VA Energy Source Long Period Energy Source

2000

tjAFhnvheel

1000

У

500

200

100

50-

Fuel Cell Rechargeable Non-

20

I

I

10 6 10 20 50 100 200 5001000

Specific Energy (Wh/kg)

Kuva 4: Eri energiavarastojen teho- ja energiatiheys [4]

Täyshybridissä saadaan käyttöön kaikki hybridijärjestelmän edut. Voimansiirto jae­

taan sähkömoottorin ja polttomoottorin kesken, ja ajoneuvoa voidaan ajaa muuta­

man kilometrin matka pelkästään sähkömoottoria käyttäen. Henkilöauton kokoisissa täyshybrideissä käytetään yleensä noin 50 kW sähkömoottoria. Polttoaineenkulutus säästää kaupunkiajoissa tyypillisesti noin 30%-50%. [4]

2.4 Energiavarastot 2.4.1 Vaatimukset

Energian varastointiin on erilaisia menetelmiä, joista osa soveltuu hybridijärjestel­

miin toisia paremmin. Energiavarastoa arvioitaessa on oleellista tietää, paljonko energiaa se pystyy varastoimaan, ja mikä on sen huipputeho. Lisäksi paino, koko ja elinikä ovat usein tärkeitä ominaisuuksia. [10] Energiatiheydeksi (specific ener­

gy) kutsutaan varastoitua energiaa painoyksikköä kohden. Vastaavasti tehotiheys on huipputeho painoyksikköä kohden. [1]

S p ec if ic P o w er (W /k g )

Anionivirta

Kationivirta

Elektro­

lyytti

(a) Lataus (b) Purku

Kuva 5: Akun toiminta ladattaessa ja purettaessa [11]

Akun terminaalijännite purettaessa käyttäytyy tyypillisesti kuvan 6 mukaisesti. Täy­

teen ladatun akun jännite laskee ensin eksponentiaalisesti, kunnes se saavuttaa ni­

mellisen alueen. Tällä alueella jännite laskee lähes lineaarisesti. Kun jännite saavut­

taa niin sanotun cut off -jännitteen, se romahtaa äkillisesti. Tällöin akun oletetaan Kuvassa 4 on esitetty eri hybridiajoneuvoissa käytettyjen energiavarastojen ominai­

suuksia. Kuvassa oikealla ovat polttokennot ja bensiini, joilla on suuri energiatiheys.

Ne eivät kuitenkaan ole ladattavissa, eivätkä siten sovellu sekundaarisiksi energiava- rasioiksi. Akkujen energiatiheys on hyvä, mutta niiden tehotiheys on huomattavasti superkondensaattoreita heikompi. Superkondensaattorit eivät kuitenkaan pysty va­

raamaan suurta energiamäärää. [4]

2.4.2 Akku

Akku on sähkökemiallinen laite, joka varastoi energiaa kemiallisessa muodossa. Se ra­

kentuu kahdesta elektrodista, jotka on upotettu elektrolyyttiin. Negatiivinen elekt­

rodi eli anodi on yleensä metallia, kun taas positiivisena elektrodina eli katodina käytetään tavanomaisimmin metallioksideja. Elektrolyytti on yleensä nestemäinen väliaine, jolla on hyvä ionijohtokyky. Toisaalta elektrolyytin on oltava sähköeriste, jotta akku ei menisi oikosulkuiin. [11]

Akun toiminta ladattaessa ja purettaessa on esitetty kuvassa 5. Akkua puretaan kytkemällä elektrodit ulkoiseen kuormaan. Tällöin anodi hapettuu ja elektronit vir- taavat katodille, joka vastaavasti pelkistyy. Elektrolyytissä anionit (negatiiviset io­

nit) virtaavat anodille ja kationit (positiiviset ionit) katodille. Kun akkua ladataan, virran suunta muuttuu, jolloin negatiivinen elektrodi toimii vuorostaan katodina ja positiivinen anodina. |11]

DC- +

virtalähde Kuorma

Elektronivirta + Elektronivirta

Anionivirta

Kationivirta

Elektro-

Anodi Katodi

Anodi

Katodi

■ Purkukäyrä ] Nimellinen alue ] Eksponentiaalinen alue

1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1

0.9 ;

0 1 4 8

Aika / s

Kuva 6: Akun terminaalijännitteen käyttäytyminen purkutilanteessa [12]

tyhjentyneen. [12] Akun kapasiteettia mitataan ampeeritunteina {Ah). Kapasiteetti kertoo, kuinka paljon energiaa akusta saadaan, kun sitä puretaan täydestä latauk­

sesta cut off -jännitteeseen asti. Sekä terminaalijännite että kapasiteetti riippuvat kuitenkin suuresti purkuvirrasta. [1]

Akun varaustila (SOC, State of Charge) on jäljellä olevan kapasiteetin suhde täyteen ladattuun kapasiteettiin [1]. Yleensä akun varausta pidetään noin 40 ja 80% välillä.

Akkua ei ladata aivan täyteen, jotta vältytään ylilatauksen vaaralta. Toisaalta akkua ei kannata purkaa täysin tyhjiin, koska tämä lyhentää akun käyttöikää huomatta­

vasti. [9] \ arsinaisessa käytössä akusto koostuu useista rinnan-ja sarjaankytketyistä akuista. Kytkemällä akkuja sarjaan saadaan terminaalijännitteestä suurempi, kun taas rinnankytkemällä parannetaan kapasiteettia. [11]

Käytännössä akustolla on oltava valvontajärjestelmä (BMS, Battery Management System). Sen tehtävänä on valvoa akkujen jännitteitä, varaustiloja ja lämpötiloja.

Useammasta akusta koostuvassa akustossa valvontajärjestelmä voi myös tasapai­

nottaa eri akkuja, jotta akusto pääsee toimimaan optimaalisesti. Usein BMS on yhteydessä koko hybridijärjestelmän hallintalaitteistoon. [9]

Hybridijärjestelmään soveltuvia akkutyyppejä ovat lyijyakut, nikkelipohjaiset akut ja litiumpohjaiset akut. Nykyään suosituin akkutyyppi hybridiajoneuvoissa on nik- keli-metallihydridiakku (Ni-MH). [9] Litiumpohjaisilla akuilla (Li-Ion ja Li-P) voi­

daan saavuttaa sekä suurin tehotiheys että suurin energiatiheys, mutta teknologia on osin vielä kehitysasteella. Lyijyakkujen energiatiheys on huono, mutta ne ovat toisaalta muita akkutyyppejä edullisempia. [1]

-r*-

CT)-

-Ю

CO-

-Cn

Jännite/V

Akun toiminta on pitkälti epälineaarista, joten sen toiminnan tarkka mallintami­

nen on haastavaa. Kun kuitenkin tarkastellaan akun toimintaa osana laajempaa järjestelmää, akulle voidaan käyttää erilaisia yksinkertaistavia sijaiskytkentöjä. Yk­

sinkertaisin malli akulle on lineaarinen malli, joka on esitetty kuvassa 7. Se koostuu jännitelähteestä пе$,о ja ekvivalentista sarjaresistanssista Resr. Jännitelähde mallin­

taa akun jännitetasoa ja resistanssillä mallinnetaan latauksen tai purkamisen aikana syntyviä häviöitä. |13] Terminaalijännite ues on akun mitattava jännite.

Lineaarisessa mallissa akun varaustila oletetaan vakioksi. Oletus on perusteltu, kun tarkustellaan riittävän lyhytkestoisia ilmiöitä. Todellisuudessa sekä jännite että sar- jaresistanssi riippuvat varauksesta. Lisäksi akun resistanssi on yleensä erilainen la­

tauksen ja purkauksen aikana, ja se vaihtelee myös virran suuruuden mukaan. Re­

sistanssin muutokset ovat kuitenkin yleensä kohtuullisen pieniä, joten se oletetaan yleensä vakioksi. [13]

^es Resr

^es,0

^es

Kuva 7: Akun lineaarinen malli [13]

Kondensaattoreihin perustuva sijaiskytkentä on esitetty kuvassa 8. Tässä akun va- raustilaa mallinnetaan suurella kapasitanssilla Ci. Tämän kanssa on rinnankytket­

tynä pienempi kondensaattori Сг- Sillä mallinnetaan akun pintakapasitanssia, jo­

ka tarkoittaa varauksen kertymistä akun sisällä. Pintakapasitanssi aiheuttaa akun jännitteen hitaan pienenemisen purkamisen ensimmäisten sekuntien aikana. Tyypil­

lisesti kapasitanssin C² ja resistanssin R² arvot ovat huomattavasti muita mallin parametrejä pienempiä. [13]

R^{2 Ri}

*es

Rs

^es C1

c2

Kuva 8: Akun kondensaattoreihin perustuva malli [13]

Resr

^es - Ues^ — Eq — К

^es,О Ues

Ohjattu jännitelähde

Kuva 9: Akun epälineaarinen malli [12]

Tremblay et AI. [12] ovat johtaneet akulle ohjattuun jännitelähteeseen perustuvan epälineaarisen mallin, joka on esitetty kuvassa 9. Mallin rakenne on periaattees­

sa samanlainen kuin lineaarisessa mallissa, mutta jännitelähteen lähdejännite uesfi lasketaan kaavalla

Q + Ae~sJo

Ues,0 — £0 E ⁽¹⁾

Q ^- f o iesdt

jossa Q on akun kapasiteetti, Eq on vakiojännite, K on polarisaatiojännite, A on eks­

ponentiaalisen alueen amplitudi ja В on eksponentiaalisen alueen aikavakion kään- teisluku. Yhtälön parametrit voidaan johtaa suoraan valmistajan ilmoittaman pur- kukäyrän ja akun parametrien perusteella. Akun epälineaarinen malli pystyy mal­

lintamaan kuvan 6 mukaisen käyttäytymisen. Toisaalta myös tämä mallirakenteessa sarjaresistanssi oletetaan varaustilasta ja virran amplitudista riippumattomaksi.

2.4.3 Superkondensaattori

Superkondensaattori on sähkökemiallinen kondensaattori, joka rakentuu kahdesta elektrolyyttiin upotetusta elektrodista ja niiden välillä olevasta eristeestä. Lisäksi superkondensaattoriin kuuluvat virrankeräimet, jotka siirtävät varauksen johtimiin.

Elektrodit on rakennettu huokoisesta materiaalista, jonka huokosiin varaus varas­

toituu. Huokoset ovat halkaisijaltaan nanometrin suuruusluokkaa, joten elektrodien pinta-ala on suuri. [10] Superkondensaattoria kutsutaan myös ultrakondensaattoriksi (engl. ultracapacitor). Kuvassa 10 on esitetty superkondensaattorin yleinen rakenne.

Superkondensaattorit soveltuvat hyvin huipputehon tuottamiseen, koska niillä on suuri tehotiheys. Superkondensaattorit kestävät hyvin jatkuvaa latausta ja purka­

mista ilman mainittavaa ominaisuuksien heikkenemistä. Jopa miljoonan lataus- ja purkusyklin jälkeen kondensaattorin kapasitanssi ja resistanssi ovat yleensä muut­

tuneet vain 10 % - 20 %. (10] Lisäksi superkondensaattorit toimivat laajalla lämpö­

tila-alueella (—40°C - 65°C') [14] ja ne kestävät pitkää varastointia [10].

Yhden superkondensaattorikennon jännite on melko pieni, yleensä vain noin 3 volt­

tia. Yhdessä superkondensaattorimoduulissa on kuitenkin yleensä kytketty sarjaan

Porous, high surface area particles or fibers (1000-2000 m2/gm)

Electrolyte between particles or fibers

Current collector

z

+

AV Д,

X Substrate (electrode)

V /

\ z

X\x.—/ N

\ x_\

\ \ Electrolyte

\

\ /

z \

\ / Electrical double-layer

around the particles/fibers.

Energy storage by charge separation in the

double layer.

1+ +

x_\ z _{+ \}

\ ⁺

\ L+, "I

\ I

Pores in particles/fibers

jt V

xx /

Kuva 10: Superkondensaattorin rakenne [10]

useampia kennoja, jolloin jännitetaso, energian varastointikyky ja huipputeho saa­

daan vaatimusten mukaisiksi. Myös moduuleita todennäköisesti tarvitaan useam­

pia. [14] Eri kennojen kapasitanssit tai vuotovirrat voivat olla erilaisia, jolloin joi­

denkin kennojen jännite voi kasvaa liian suureksi. Tätä varten superkondensaatto­

rimoduulissa on oltava piiri jännitteen tasapainotusta varten. [8]

Superkondensaattoria voidaan mallintaa tavallisen kondensaattorin sijaiskytkennäl- lä, joka on esitetty kuvassa 11. Se koostuu kapasitanssista C, sarjavastuksesta R rinnakkaisvastuksesta Rv ja sarjainduktanssista Les/. Sarjavastus mallintaa tehohä­

viöitä latauksen ja purkamisen aikana. Rinnakkaisvastus Rv kuvaa vuotovirtaa eli kondensaattorin purkautumista itsestään. Se jätetään usein huomioimatta. Induk­

tanssi Les; on yleensä pieni, mutta sitä ei aina voi jättää huomioimatta, kun tarkas­

tellaan suuritaajuisia ilmiöitä. [15]

Tavallisen kondensaattorin mallilla ei kuitenkaan voi selittää kaikkia superkonden­

saattorin ilmiöitä. Liu ja Ruanin artikkelissa [8] on tutkittu superkondensaattorille kolmen aikavakion mallia, joka on esitetty kuvassa 12. Se rakentuu kolmesta vastuk-

esr )

Resr ^L'est

^es /УУУХ

ces

Ues

Kuva 11: Superkondensaattorin sijaiskytkentä [15]

sen ja kondensaattorin muodostamasta haarasta sekä rinnakkaisvastuksesta Rv. Eri haarat mallintavat eri nopeuksisia ilmiöitä. Kondensaattori Cf ja vastus Rf muo­

dostavat ensimmäisen haaran, joka on hallitseva latauksen ensimmäisten sekuntien aikana. Keskimmäisen haaran aikavakio on minuutin suuruusluokkaa ja hitaan haa­

ran komponentit Cs ja Rs vaikuttavat vasteeseen yli kymmenen minuutin jälkeen latauksen aloittamisesta. Mallin parametreille on johdettu laskukaavat, jotka on esi­

tetty taulukossa 1. Kaavoissa ф — 0,5 (Vs — l), C0 on nimellinen kapasitanssi, N on superkondensaattorikennojen määrä, ESR on sarjavastus, Vr on maksimijännite ja Iieak on vuotovirta.

tes

Rf Rm ^R

ttes Rp

Cf Cm a

Kuva 12: Superkondensaattorin kolmen aikavakion sijaiskytkentä |8]

Taulukko 1: Superkondensaattorin sijaiskytkennän parametrien laskeminen [8]

Nopea Keskinopea Hidas Vuoto

^ESR ^</r15ESR '£ф-17Е8К

Rf Rm ^R _NVr

Iieak Rp

l,05z-.

ТГсо ^Ф5С0 ^Ф3С0

Cf Cm ^a

Zubieta ja Bonert [16] ovat kehittäneet superkondensaattorille vastaavan mallin, jo­

ka pyrkii lisäksi selittämään kapasitanssin epälineaarisen muuttumisen. Erona kuvan 12 kytkentään on jänniteriippuvainen kondensaattori, joka on kytketty nopean haa­

ran kondensaattorin Cf kanssa rinnan. Epälineaarisen kondensaattorin kapasitanssi

riippuuu lineaarisesti sen yli olevasta jännitteestä u, jolloin haaran kokonaiskapasi- tanssi on

C/,tot — Cf + Cfiu(t), (2)

jossa Cfi on vakiokerroin.

Hybridijärjestelmän säätömenetelmät 2.5

Hybridijärjestelmän säädön tarkoituksena on kattaa energialähteiden avulla kuor­

man tehontarve. Energialähteitä on enemmän kuin yksi, joten säätöjärjestelmän on jaettava tehon tuottaminen niiden välillä. Eri lähteiden dynamiikat ovat erilaisia, eivätkä kaikki kykene kaksisuuntaiseen tehonsiirtoon. Lisäksi ohjausjärjestelmän on huolehdittava, että energiavarastojen tilat pysyvät sallituissa rajoissa. Ohjaus voi­

daan toteuttaa usealla eri tavalla, riippuen järjestelmän rakenteesta ja sovelluskoh­

teesta. Tässä kohdassa on tarkoituksena luoda yleiskatsaus kirjallisuudesta löytyviin hybridijärjestelmien säätömenetelmiin.

Hybridiajoneuvoissa yleisesti käytettyjä ohjausperiaatteita ovat Max. SOC-of-PPS -menetelmä ja termostaattisäätö. Max. SOC-of-PPS -menetelmässä (Maximum Sta­

te of Charge of Peaking Power Source) säädön tarkoitus on kuorman tehontarpeen kattamisen lisäksi pitää energiavaraston varaustila mahdollisimman korkealla. Sarja­

muotoisessa hybridissä polttomoottoria ajetaan sen optimaalisella toiminta-alueella.

Jos kuorman tehontarve on polttomoottorin tuottamaa tehoa suurempi, käytetään myös energiavarastoa apuna tuottamaan vaadittu teho. Jos tehoa tarvitaan vähem­

män kuin moottori tuottaa, toiminta riippuu energiavaraston tilasta. Kun sekun­

daarilähde ei ole täynnä, ylimääräinen energia käytetään sen lataamiseen. Muuten polttomoottori säädetään tuottamaan kuorman vaatima teho. Jarrutuksessa lada­

taan energiavarastoa niin paljon kuin mahdollista. Menetelmä on erityisen hyödyl­

linen, kun kuorman teho muuttuu paljon ajon aikana. Tällöin energiavaraston on mahdollisimman valmiina avustamaan kiihdytyksissä. Toisaalta jos kuorman tehon­

tarve on jatkuvasti pieni, energiavaraston latauduttua täyteen polttomoottoria jou­

dutaan ajamaan optimaalisen toiminta-alueen ulkopuolella. Rinnakkaismuotoisissa hybridijärjestelmissä säädön toiminta on hieman monimutkaisempaa, mutta yleinen periaate on sama. [1]

Termostaattisäädössä polttomoottoria ohjataan vuorotellen päälle ja pois energia- varaston tilan perusteella. Kun energiavarasto on täysin varautunut, moottori sam­

mutetaan ja järjestelmä toimii pelkästään akun tai superkondensaattorin antamal­

la teholla. Moottori käynnistetään, kun varaustila on saavuttanut määrätyn ala­

rajan. Kun moottori on käynnissä, sitä pidetään optimaalisella toiminta-alueella, ja ylimääräistä tehoa käytetään lataamaan energiavarastoa. Termostaattisäätö on yleisesti parempi tilanteissa, joissa kuorman tehontarve on kohtuullisen tasaista ja pientä. [1]

Säätöjärjestelmä voi myös pyrkiä optimoimaan hybridijärjestelmän toimintaa. Hv-

!)

jossa C on kapasitanssi ja и jännite. Primäärilähteen katkoja säätää järjestelmän kokonaisenergiaa, joka on käytännössä energiavarasi on energia. Säätölait laskevat teho-ohjeet, jotka muutetaan virtaohjeiksi jakamalla ne jännitteellä. Virtasäätö to­

teutetaan sliding mode -säätimillä.

Li ja Ruan [8] ovat tutkineet superkondensaattorin käyttämistä hissisovelluksen väli- piirissä. Sovelluksessa verkkovirta tasasuunnataan diodisillalla, joka ei kykene kaksi­

suuntaiseen tehonsiirtoon. Välipiirin jännitteen ja superkondensaattorin virran sää­

töön käytetään kahta sumeaa säädintä kaskadikytkennällä. Jännitesäätimen sisään­

tuloina ovat välipiirin jännitteen poikkeama nykyisellä ja edeltävällä näytteenot- tohetkellä sekä superkondensaattorin jännitteen ja sen maksimi- ja minimiarvojen erotuksia. Täten rajoitukset on huomioitu sumean säätimen säännöissä, eikä erillistä

bridiajoneuvon polttoaineen kulutusta ja pakokaasupäästöjä minimoivia säätöperi­

aatteita on tutkittu viime aikoina runsaasti. Tutkimus on keskittynyt rinnakkais­

muotoisiin ja sitä monimutkaisempiin hybridirakenteisiin, joissa on enemmän ohjat­

tavia vapausasteita kuin sarjamuotoisessa rakenteessa. Optimointi voidaan suorittaa jollekin tunnetulle ajosyklille, tai ajokäyttäytyminen voidaan estimoida aikaisempien ajojen perusteella. [17] Yleensä tulevaa ajoa ei kuitenkaan tunneta tarkasti, jolloin voidaan minimoida hetkellistä polttoaineen kulutusta [18].

Edellä esitellyt säätömenetelmät ovat kohtuullisen yleisiä ja keskittyvät polttomoot­

torin ohjaukseen. Tässä työssä kuitenkin tutkitaan pääasiassa sarjamuotoisen hy­

bridijärjestelmän energiavaraston ja varastoa ohjaavan katkojan toimintaa, joten on oleellista tarkastella myös ne huomioon ottavia menetelmiä. Yleensä energiava- rastoon liitetyn katkojan säätöjärjestelmä toimii kaskadisäätöperiaatteella. Sisempi silmukka säätää energiavaraston virtaa. Virtaohje saadaan ulommalta silmukalta, joka pitää välipiirin jännitettä vakiona. Jos kuorma ottaa enemmän tehoa kuin mitä primäärilähde pystyy tuottamaan, välipiirin jännite laskee. Säädin pyrkii kompen­

soimaan tätä kasvattamalla energiavarastolta otettua tehoa. Täten esiteltyä säätöra- kennetta voidaan käyttää kompensoimaan tehonvaihteluita. Jos kuorman ottamasta tehosta saadaan ennakkotietoa, jännitesäätimen rinnalle voidaan lisätä myötäkyt- ketty haara nopeuttamaan tehomuutosten kompensointia. [19]

Azib et AI. [19] ovat käyttäneet sekundaarilähteen virta- ja jännitesäätiminä taval­

lisia Pl-säätimiä. Heidän järjestelmässään primääriteholähde on polttokenno, jon­

ka katkojaa ohjataan myös kahdella kaskadiin kytketyllä PI-säätimellä. Sisemmän säätimen tehtävä on ohjata polttokennojen virtaa, ja ulompi säädin säätää ener­

giavaraston jännitettä. Täten primäärilähteen teho mukautuu hitaampiin kuorman muutoksiin ja estää energiavarastoa tyhjenemästä täysin.

Thounthong et AI. [20] ovat tutkineet vastaavaa järjestelmää, mutta säätö pohjau­

tuu järjestelmän energian differentiaaliseen litteysominaisuuteen (differential flat­

ness). Välipiirin jännitteen sijasta energiavarasto säätää välipiirin energiaa y, joka lasketaan kaavalla

CO

!¿

Ot-1IСЧ

rajoitinta tarvita.

Kim ja Sul [3] ovat tutkineet hybridisoidun kumipyöräisen siltanosturin säätöä. Täs­

sä järjestelmässä primäärilähteenä on dieselmoottori ja generaattori, jonka tuotta­

ma virta tasasuunnataan diodisuuntaajalla. Energiavarastona käytetään superkon- densaattoria. Järjestelmällä on kaksi toimintamoodia. Kun energiavaraston jänni­

te on riittävä, katkoja säätää välipiirin jännitettä PI-säätimellä. Jos energiavaras- to tyhjenee liikaa, siirrytään säätämään generaattorin pyörimisnopeutta. Säätömoo- dien vaihtaminen tehdään hystereettisesti niin, että superkondensaattorin jännitteen täytyy ensin kasvaa jonkin verran alarajaa suuremmaksi, ennen kuin jännitesäädin käynnistetään uudestaan.

3 Tasasähkökatkojat

3.1 Toimintaperiaate

Tasasähkökatkoja on laite, jolla voidaan muuttaa tasasähkön jännitetasoa. Se raken­

tuu induktiivisista ja kapasitiivisista elementeistä, jotka toimivat suodattimina, sekä kytkiminä toimivista puolijohdekomponenteista. Useimmiten kytkiminä käytetään transistoreita, jotka toimivat vuorotellen kyllästymis- ja sulkutiloissa. Tulojännitet- tä sopivasti katkomalla saadaan lähtöjännitteelle haluttu arvo. [21]

3.1.1 Jännitettä laskeva katkoja (buck)

\ S

L

/rm—+

^in

7\d c T^out

o*

Kuva 13: Jännitettä laskeva katkoja

\ ksi yleisimmistä ja yksinkertaisimmista katkojatyypeistä on jännitettä laskeva kat­

koja, jota kutsutaan myös buck-katkojaksi. Sen kokoonpano on esitetty kuvassa 13.

Buck-katkoja rakentuu kelasta, kondensaattorista, kytkimestä ja diodista. Se kyke­

nee vain laskemaan jännitettä, eli lähtöjännite on aina pienempi tai yhtä suuri kuin tulojännite. [21]

Kun kytkin on suljettu, kelan yli kulkeva virta Ìl kasvaa. Virran derivaatalle pätee diL(t) 'U'inid') ^out(^)

(4)

dt L

jossa Uin on tulojännite, lähtöjännite ja L kelan induktanssi. Koska tulojännite on suurempi kuin lähtöjännite, derivaatta on positiivinen. Kun kytkin on avattu, tulojännitelähde ei ole yhteydessä kuormaan, jolloin virran derivaatalle pätee

dll (t) Hout (^)

1Г' (5)

dt eli virta pienenee.

Katkojia ohjataan kytkemällä transistoria vuoroin päälle ja pois, eli vaihtamalla kytkimen asentoa. Yhdessä kytkentäjaksossa transistori on ensin päällä ajan ton ja

lopun aikaa pois päältä. Päälläoloaikaa kuvataan pulssisuhteella D, joka on päällä- oloajan suhde koko kytkentäjaksoon Ts

D = ton ₍₆₎

T "

1 S

Koska D on määritetty suhteena, pätee 0 < D < 1. Osuus kytkentäjaksosta, jolloin transistori on pois päältä on siten D' = l — D. [21]

V irran tyypillinen muoto on esitetty kuvassa 14. Kytkennän vuoksi virta on sykkeis­

tä, eli se vuoroin kasvaa ja vähenee. Kun kytkentäjakso on riittävän lyhyt, voidaan olettaa, että jännitteet muuttuvat vain vähän yhden jakson aikana ja niiden sykkei- syys on kohtuullisen vähäistä. Tällöin myös virran muutosnopeudet ovat vakioita.

0 t

s

1

t_on /_off

0 L— t

TS H

Kuva 14: Virran käyttäytyminen kytkentäjakson aikana. Kytkin on suljettu, kun s = 1, ja avoinna kun s = 0.

Kun virta kulkee koko kytkentäjakson ajan, virran muoto voidaan määritellä pel­

kästään kaavojen (4) ja (5) avulla. Tällöin sanotaan, että katkoja toimii jatkuval­

la toiminta-alueella (CCM, Continuous Conduction Mode). Jos virta ehtii pudota nollaan ennen jakson päättymistä, katkoja toimii epäjatkuvalla toiminta-alueella (DCM, Discontinuous Conduction Mode). [21]

Katkojassa olevan suodatinkondensaattorin tehtävänä on vähentää lähtöjännitteen sykkeisyyttä. Yhdessä kela ja kondensaattori muodostavat LC-alipäästösuodatti- men. [21] Tässä työssä tutkittavassa laitteistossa kuorma, eli superkondensaattori tai akusto, on kapasitiivinen, jolloin erillistä suodatinkondensaattoria ei välttämättä tarvita.

3.1.2 Jännitettä nostava katkoja (boost)

Toinen yleinen katkojatyyppi on jännitettä nostava katkoja, joka nimensä mukai­

sesti pystyy vain nostamaan jännitettä. Sitä kutsutaan usein boost-katkojaksi. Kat-

L D

/YYTV ìl

\ 5

V-in

c

y У

Kuva 15: Jännitettä nostava katkoja

koja rakentuu samoista komponenteista kuin edellä esitelty buck-katkoja, mutta eri tavoin järjestettynä. Laitteen kokoonpano on esitetty kuvassa 15.

Kun kytkin on suljettu, jännite kelan yli on yhtä suuri kuin tulojännite, jolloin virta

¿x, kasvaa. Virran derivaatalle saadaan

(7) L '

dt

Vastaavasti kytkimen ollessa avattu kelavirran derivaatta on

diL(t) ^in ^out

(8)

dt L

Koska lähtöjännite on aina suurempi kuin tulojännite, derivaatta on negatiivinen.

3.1.3 Kolmivaiheinen puolisiltakatkoja

s4ïTb

Dx

L _ìl

/YYYX

^dc

t ^es

V

Kuva 16: Yksivaiheinen puolisiltakatkoja

Hybridijärjestelmän energiavarastoa täytyy pystyä sekä lataamaan että purkamaan.

Edellä esitellyt katkojatyypit eivät kuitenkaan kykene siirtämään tehoa kuin yhteen suuntaan, joten ne eivät suoraan sovellu tähän käyttötarkoitukseen. Yksi mahdol­

linen kaksisuuntaiseen tehonsiirtoon kykenevä katkojarakenne on puolisiltarakenne, joka on esitetty yksivaiheisena kuvassa 16.

Puolisiltakatkoja toimii toiseen suuntaan jännitettä nostavana ja toiseen suuntaan jännitettä laskevana katkojana. Se rakentuu kahdesta IGB-transistorista ja kahdes­

ta diodista. Kun katkoja laskee jännitettä, ohjataan ylemmän haaran kytkintä S\, jolloin virta kulkee vuorotellen transistorin Si ja alahaaran diodin D2 läpi. Jänni­

tettä nostettaessa ohjataan alemman haaran transistoria S2, jolloin virta kulkee sen ja diodin Di läpi. Ensimmäisessä tapauksessa kytkentä on sama kuin tavallisessa buck-katkojassa, ja jälkimmäisessä tilanne vastaa boost-katkojaa.

Puolisiltakatkojan kelavirran derivaatat ovat samanlaiset kuin buck- ja boost-katko- jilla (yhtälöt (4), (5), (7) ja (8)). Koska tehonsiirto on kahdensuuntaista, ei ole enää mielekästä puhua tulo- ja lähtöjännitteistä, vaan tasavirtakiskon jännitteestä ja energialähteen jännitteestä ues. Jotta puolisiltakatkoja toimisi oikein, tasavirtakis­

kon jännite on oltava energiavaraston jännitettä suurempi. Virran iL etumerkki on valittu niin, että positiivinen virta lataa energiavarastoa.

Jos virta on positiivinen, virran käyttäytyminen määräytyy ylemmän haaran kytki­

men S\ asennon perusteella. Kun kytkin johtaa, virran derivaatalle pätee LdiL{t)

i. ^dc(^) ■ (9)

Tällöin virta kasvaa. Vastaavasti kun kytkin ei johda, virta vähenee. Derivaatta on tällöin

LdiL(t)

ues{i). (10)

dt

Kun virta on negatiivinen, eli tehoa siirtyy energiavarastolta välipiiriin, käytetään alemman haaran kytkintä S2- Tällöin virran derivaatta on yhtälön (10) mukainen, kun S2 johtaa, ja yhtälön (9) mukainen, kun kytkin ei johda. Vaikutus on siis päin­

vastainen ylemmän haaran kytkimeen verrattuna. Täten voidaan puhua ylä- ja ala­

haarojen johtamisesta. Kun virta kulkee ylemmän haaran kytkimen S\ tai diodin D\ läpi, virta kasvaa yhtälön (9) mukaisesti. Toisaalta kun virta kulkee alemman haaran kytkimen 52 tai diodin D2 läpi, virran vähenemisen määrittelee yhtälö (10).

Tässä työssä käsitellään kolmivaiheista puolisiltakatkojaa, joka on esitetty kuvas­

sa 17. Se koostuu käytännössä kolmesta rinnakkaisesta puolisiltakatkojasta, joiden kelavirrat summataan yhteen. Jos eri vaiheet ovat tasapainossa, niiden läpi kulkee vain kolmasosa kokonaisvirrasta. Tämä tarkoittaa, että kat kojan komponentit voi­

daan mitoittaa huomattavasti pienemmiksi kuin yksivaiheisessa tapauksessa. Lisäksi laitteena voidaan käyttää tavallista kolmivaiheista vaihtosuuntaajaa.

Kolmivaiheisen katko jan vaiheita ohjataan yleensä 120 asteen vaihesiirroissa toisiinsa

А;нй

s4¿k Зцск

Li úi mrrx-í

l2 .

/yyyv/»2 ^es

Ls , ryyyvii^*L3

^es

ÄV A

4 ^rA

1

Kuva 17: Kolmivaiheinen puolisiltakatkoja

nähden. Tällöin eri vaihevirtojen huiput osuvat mahdollisimman etäälle toisistaan, ja kokonaisvirran sykkeisyyden amplitudi saadaan minimoitua. [22] Vaihesiirron pe­

riaate on esitetty kuvassa 18.

3.2 Keskiarvoistettu tilamalli

Tasasähkökatkojalle ei voida suoraan johtaa lineaarista tilayhtälöä, koska kytkin on epälineaarinen komponentti. Katkojalla on kaksi sijaiskytkentämallia, jotka ovat vuorotellen voimassa riippuen kytkimen asennosta. Usein ollaan kuitenkin kiinnostu­

neempia matalataajnisistä ilmiöistä, jolloin kytkentätaajuista sykkeisyyttä ei tarvit­

se mallintaa. Jos järjestelmän kytkentätaajuus on vakio, voidaan kat ко jaa mallintaa keskiarvoistetulla mallilla. [21]

Signaalin keskiarvo kytkentäjakson ajalta (-)Ti) määritellään

{x{t))T- = ¥,lt+Ts x(r)dr, _(H)

mielivaltaiselle signaalille x(t), joka voi myös olla vektori. Liukuva keskiarvo toimii alipäästösuodattimena, jolloin kytkentätaajuuden ilmiöt saadaan suodatettua pois.

Keskiarvoistettujen signaalien avulla voidaan johtaa järjestelmälle keskiarvoistettu tilamalli. Vaatimuksena on, etteivät tila x(t) ja sisääntulo u(t) suuresti muutu yhden kytkentäjakson aikana. Oletus on perusteltu kun signaalien sykkeisyyden amplitudi

180 160

140

es

V^ja ¡L3

Л

Z /

/ y

y y

/

/ /

/ :

/ / /

- /

V

Aika Z t

Kuva 18: Kolmivaiheisen halkojan vaikutus virran sykkeisyyteen

on pieni verrattuna matalataajuiseen komponenttiin. Järjestelmän kytkimellä on kaksi tilaa. Kun kytkin on ensimmäisessä asennossa, järjestelmä noudattaa mallia

= A, x(t) + Biu(i). (12⁾

Vastaavasti kytkimen ollessa toisessa asennossa malli on

= A2x(t) + B2u(t). (13)

Mallit voidaan yhdistää pulssisuhteen avulla. Yhtälössä (6) pulssisuhde D on mää­

ritelty kytkimen päälläoloajan suhteena kytkentäjakson pituuteen. Oletetaan nyt että kytkin on ensimmäisessä asennossa osuuden D kytkentäjaksosta ja toisessa asennossa kytkentäjakson loppuajan. Tilamallissa on kuitenkin otettava huomioon, että pulssisuhde ei ole vakio. Merkitään aikariippuvaa pulssisuhdetta d(i) ja sen komplementtia d'{t). Keskiarvoistetuksi tilamalliksi saadaan siten

d(x(t))Ts

— (d(t)Ai + (/(¿)А2) (x(i))j’g + (d(í)B! + d'(í)B2) (и(Ь))та- (14) dt

Yhtälö (14) on epälineaarinen, koska pulssisuhde d(t) riippuu ajasta. Se voidaan kuitenkin linearisoida valitun toimintapisteen (X,U,4J) ympärillä, jolloin signaalit ovat

Virta/ A

A = £>Ai + D'A2 В = DB1 + D'Bo

Yleensä toimintapiste on stabiili tasapainopiste, jolloin tilan DC-komponentti on vakio. Tällöin pätee

dX

(20)

= 0 = AX + BU.

dt

Yhtälön (17) toisen asteen komponentit x(t)d(i) ja û(t)d(t) voidaan olettaa nolliksi yhtälöiden (16) perusteella. Tällöin saadaan yleiseksi linearisoiduksi malliksi, eli piensignaalimalliksi [21]

dx(t)

- Ax(t) + BÛ(t) + { (Ax - A2) X + (Bj - B2) U}d(t) (21)

(x(í))ts - X + x(i) (u(í))t„ = U + û(t)

d{t) = D + d(t) (15)

Tässä X ja U ovat signaalien arvot toimintapisteessä, eli niin sanotut tasavirta- tai DC-komponentit. x(i) ja û(t) ovat signaalien variaatioita toimintapisteen ympäril­

lä. Vastaavasti D on pulssisuhde toimintapisteessä ja d(t) variaatio sen ympärillä.

Oletetaan, että variaatiot ovat huomattavasti toimintapisteen arvoja pienempiä, eli

l|U||»||û(i)||

l|X|| » ||x(t)||

D > \d(t)\ (16)

jossa [I • [I on jokin vektorinormi. [21]

Sijoittamalla poikkeutetut signaalit yhtälöön (14) saadaan dX + dx{t)

, = AX + BU + Ax(t) + Bu{t) dt

dt

B2)U}d(t) + { (Ai — A2) X + (B

+ (Aj - A2)x(t)d(t) + (B1 - B2)Û(t)d(t) i —

(17) jossa

ooO)