Raport de demonstrare
al solutiilor privind sistemele de propulsie si sistemul de manangement si control
realizate de ICPE
Proiectarea si realizarea mode ului experimental al sistemului în cadrul proiectului MANUNET:
„Study and Development of an Inovative Eco-Compatible Boat Based on Integrated Hybrid Propulsion System”
Contract 7-034/2011 ERA NET
Elaborat: ICPE SA
Data si locul prezentarii: 01.08.2013
Locul: ICPE, Splaiul Unirii 313, sector 3, Bucuresti
Participanti:
ICPE:Virgil Racicovschi – Director General Ion Pauna – Director Tehnic Mihaela Scortescu – Director Centru Mihaela Chefneux – Cercetator Stiintific II Viorel Stanciu – Cercetator Stiintific II Paul Minciunescu – Cercetator Stiintific I Paula Anghelita – Cercetator Stiintific II Stelian Marinescu – IDT I Cristian Boboc – Director Centru Viorel Ursu – Director Centru Ionel Popa – Director Centru
UPB:Valentin Navrapescu – Prof. univ. dr. ing.Dragos Deaconu – Sl. univ. dr. ing.Aurel Chirila – Sl. univ. dr. ing.Grigore Danciu – Prof. univ. dr. ing.
Technosoft:Liviu Kreindler – Prof. univ. drGeorge Casaru – Ing.
Stam (Italia):Roberto Lando – Ing.
Servosisteme:Caius Gamulescu – Ing
Obiectul prezentarii :
Rezultate obtinute de ICPE (partenerul din Romania) in cadrul proiectului ERA NET (MANUNET) „Study and Development of an Inovative Eco-Compatible Boat Based on Integrated Hybrid Propulsion System”
Scopul prezentarii :
Prezentarea si demonstrarea solutiilor privind sistemele de propulsie pentru
ambarcatiuni precum si a sistemului de management si control dezvoltate de ICPE in
cadrul proiectului
Date generale despre proiectul ECO BOAT
Proiectul a fost propus în competiţia MANUNET 2010 şi activităţile consorţiului au
demarat la data de 01.01.2011.
Scopul acestui proiect este dezvoltarea unei ambarcaţiuni – ECO-Boat -
compatibile cu mediul, pe baza unui sistem de propulsie inovativ hibrid, prevăzut cu sistem
de stocare de energie foarte compact, energia provenind din surse regenerabile.
Obiectivele proiectului nu sunt concentrate numai pe dezvoltarea sistemului de propulsie
hibrid ci şi pe obţinerea unei ambarcaţiuni eco-sustenabile pe toata durata de viaţă, cu
eficienţă sporită şi consum mic de energie.
ECO-Boat va oferi oportunitatea extraordinara de a putea accesa ecosisteme
fragile, curate şi protejate, în mod normal interzise, protejand integritatea şi biodiversitatea
unică a acestora.
Principalele realizări rezultate ca urmare a derulării proiectului ECO-Boat sunt după
cum urmează:
− O ambarcaţiune cu eficienţă sporită echipată cu sistem de propulsie hibrid cu
urmatoarele caracteristici:
− Sisteme cu randament ridicat, avand consumuri de combustibil imbunatatite:
autonomie extinsa cu resurse de combustibil reduse;
− Emisii de noxe practic nule in cazul utilizarii propulsiei electrice;
− Redundanta integrata: in cazul defectarii motorului Diesel se poate utiliza
motorul electric si invers;
− Adecvare atat pentru aplicaţiile la ambarcatiuni noi cat si la cele existente
retehnologizate.
− Sistem compact de stocare a energie integrat cu un sistem de generare de energie
din surse regenerabile, implementat cu scopul de a mari randamentul energetic;
− Sistem inteligent de management energetic destinat controlului sistemului hibrid de
propulsie si a celorlalte dispozitive de la bordul navei, bazat pe tipul de propulsie
utilizat la un moment dat;
− Stimularea ecoturismului si a transportului nepoluant in ecosisteme fragile si zone
protejate ecologic.
Consorţiul este format din trei parteneri:
Scanner SRL (IMM din regiunea Piedmont – Italia) – conducător de proiect
ICPE SA (Romania) – partener P2
Pars Makina Ltd. (IMM Turcia) – Partener P3
Activitatile ICPE in cadrul proiectuluiÎn cadrul acestui proiect, conform propunerii, ICPE SA a avut următoarele
responsabilităţi:
- proiectare şi execuţie model experimental de sistem de propulsie;
- proiectare şi execuţie model experimental de sistem de management şi control;
- responsabil WP3;
- colaborare în toate celelalte WP-uri;
- publicitate aferentă proiectului prin realizarea de lucrări ştiinţifice;
- realizarea managementului de proiect pentru partea din România.
Rezultate obtinuteRezultatele obtinute sunt prezentate in anexele A, B si C :
Anexa A – Proiectul Eco Boat
Anexa B – Solutii inovative de sisteme de propulsie pentru ambarcatiuni
Anexa C – Sistemul de management si control
Anexa C
Sistemul de management și control
dezvoltat în cadrul proiectului MANUNET:
„Study and Development of an Inovative Eco-Compatible Boat Based on Integrated Hybrid Propulsion System”
Contract 7-034/2011 ERA NET
Realizat de : ICPE SA
CUPRINS
pag.
1. Introducere ............................................................................................................................... 3
2. Cerinte definitorii in proiectarea modelului experimental al sistemului de manangement si control al energiei in sistemul de propulsie .............................................................................. 3
3. Proiectarea sistemului de management al sursei de energie eoliana ...................................... 5
4. Proiectarea sistemului de management al sursei de energie recuperata ............................................................................................................................... 9
5. Proiectarea sistemului de management al bateriei de acumulatori si de control al motorului electric ...................................................................................................................................... 10
6. Sistem de management si control SMC/ECO BOAT– model experimental …......................... 12
7. Concluzii …............................................................................................................................... 16
1. IntroducereProiectul de fata si-a propus sa dezvolte un sistem de propulsie hibrida pentru o
ambarcatiune cu un grad de poluare mic, care sa poata fi realizat de intreprinderi mici si mijlocii sau chiar de persoane particulare. Sistemul de management al energiei este astfel gandit ca model conceptual, încât să fie adecvat atât pentru ambarcaţiunile nou construite cât şi pentru cele retehnologizate, pornind de la o instalaţie cu propulsie termica deja instalata si folosind module existente pe piata.
In etapele anterioare ale proiectului au fost studiate mai multe posibilitati de realizare a managementului energetic in sistem, avand in vedere posibilitatea achizitionarii de blocuri functionale deja existente pe piata.
S-a ajuns astfel la concluzia ca sistemul de management si control al sistemului de propulsie de pe EcoBoat contine doua subsisteme importante, si anume :
sistemul de management al bateriilor de elementi acumulatori de energie electrica
si
sistemul de management si control al surselor de energieAceste subsisteme trebuie comandate astfel incat sa se poata realiza cele 5 moduri de
operare necesare sistemului de propulsie, dupa cum urmeaza :
1. propulsie total electrica - motorul termic este oprit, propulsia fiind obtinuta de la motorul electric alimentat din bateriile de acumulatori;
2. propulsie duala (sau „buster”) - cand cele doua motoare, termic si electric, creaza propulsie folosind energia electrica acumulata in bateriile de acumulatori si pe cea termica creata prin arderea combustibilului;
3. propulsie termica – propulsia este creata numai de motorul termic iar motorul electric este decuplat.
4. propulsie termica cu generare de energie electrica – Propulsia este creata numai de motorul termic iar motorul electric functioneaza in regim de generator si incarca bateriile de acumulatori. In cazul cand bateriile de acumulatori s-au incarcat, sistemul trece automat in unul din celelalte trei moduri anterioare, in functie de viteza de croaziera ceruta;
5. incarcare baterii fara a se crea propulsie – motorul termic functioneaza si invarte motorul electric care trece in regim de generator si incarca bateriile electrice. Elicea este decuplata de la axul motorului termic.
2. Cerinte definitorii in proiectarea modelului experimental al sistemului de manangement si control al energiei in sistemul de propulsie
Proiectarea modelului experimental al sistemului de manangement si control dedicat sistemului de propulsie, a plecat de la premiza obtinerii celor cinci moduri de operare prezentate anterior. Toate aceste moduri de operare sunt in stransa corelare cu nivelul de incarcare a bateriilor de acumulatori, care determina si modul de gestionare al surselor de energie regenerabila de pe EcoBoat. Aceste interdependente au stat la baza determinarii principalelor functii pe care modelul conceptual al sistemului de management si control al EcoBoat trebuie sa le indeplineasca, si anume :
− determinarea starii de incarcare a sistemului de elementi acumulatori (SoC);
− determinarea capacitatii de stocare sistemului de elementi acumulatori (C);
− sesizarea supratensiunilor pe elementii acumulatori;
− sesizarea tensiunilor minim acceptabile pe elementii acumulatori;
− sesizarea supracurentilor de sarcina si de scurcircuit;
− monitorizarea temperaturii elementilor si intreruperea incarcarii sau descarcarii elementilor in cazul aparitiei unor supratemperaturi;
− egalizarea (balansul) elementilor acumulatori de energie electrica;
− conversia parametrilor energiei electrice generate astfel incat sa corespunda cerintelor de utilizare;
− determinarea regimurilor economice de functionare a sistemelor de generare;
− comanda regimurilor optime de incarcare a bateriilor de acumulatori.
Schema bloc functionala care fost stabilita este prezentata in figura 2.1. iar modelul conceptual in figura 2.2.
In faza anterioara a proiectului s-a adoptat solutia tehnica cu un singur motor termic cuplat pe ax la masina electrica care va functiona in regim de motor, cu o putere de 13kW, iar in regim de generator cu o putere de 6kW.
Intreg sistemul Eco-Boat, pe langa partea de tractiune hibrida, contine si o parte de generare de energie electrica din surse regenerabile si cogenerare:
Sistem de generare de energie electrica din caldura recuperata de la motoarele termice
Sistemul va contine un generator electric cu:
Putere maxima: 5 kW
Turatie maxima: 36000 rpm
- Sistem de generare de energie electrica din energia eolianaSistemul va contine un generator electric cu:
Putere maxima: 2 kW
Turatie: 200-400 rpm
Asadar, in proiectarea sistemului de management al energiei se vor lua ca definitorii caracteristicile urmatoare pentru intreg sistemul Eco-Boat :
Putere nominala in regim de Motor Electric: Pme = 13 kW
Putere nominala in regim de Generator Electric: Pge = 6 kW
Tensiune nominala Motoare/ Generatoare electrice: Un = 48 V
Capacitate sistem baterii: Cbat = min. 150 Ah
Tensiune nominala Sistem baterii: Ubat = 48 V
Putere nominala generator electric eolian: Peeg = 2 kW
Putere nominala generator turbina recuperare 1: Pgt1 = 5 kW
Putere nominala generator turbina recuperare 2: Pgt3 = 5 kW
Figura 2.1. Schema bloc funcțională
Figura 2.2. Model conceptual ambarcațiune
3. Proiectarea sistemului de management al sursei de energie eoliana
Energia cinetica a vantului este transformata in energie mecanica de rotatie care apoi este
transformata in energie electrica de catre generatorul cuplat mecanic la turbina eoliana. Energia electrica produsa este apoi stocata in bateriile de acumulatori electrici prin intermediul unui controler de incarcare. Controlerul monitorizează în mod constant starea de încărcare a bateriilor. Atunci când tensiunea se apropie de maximumul setat, de obicei tensiunea asa numita de mentinere („floating”), controlerul comuta pe o sarcina suplimentara (de dumping) care poate disipa puterea in exces. Când tensiunea la bornele bateriei scade sub pragul setat, sarcina de dumping este intrerupta si se reia procesul de incarcare a bateriei. Se observa astfel ca sistemul de management al sursei de energie eoliana functioneaza practic independent avand ca functie principala stabilirea fluxului maxim energetic catre bateriile de acumulatori electrici.
Pentru a genera putere maxima, turbina eoliana trebuie sa functioneze tot timpul la o viteza optima de rotatie pentru o anumita putere (viteza) a vantului. Controlerul aferent sistemului eolian de generare de energie electrica trebuie sa poata “gasi” acest punct de putere maxima in diverse conditii de vant, functie numita MPPT (Maximum Power Point Tracking). In prezent sunt folosite trei metode de urmarire a punctului de putere maxima si anume:
1. Controlul turatiei generatorului in functie de raportul de viteze “ vant-ax turbina”, numit in literatura de specialitateTSR (tip speed ratio)
2. Controlul curentului de sarcina avand ca semnal de reactie puterea obtinuta la bornele generatorului, numita PSF (power signal feedback)
3. Controlul continuu al curentului de sarcina in functie de variatiile de putere si viteza astfel incat sistemul sa se afle la putere maxima, numita HCS (hill-climb search)
Deoarece generatorul turbinei eoliene are o putere maxima de 2kW iar turbina eoliana este construita cu geometrie fixa, in cazul proiectului de fata este folosita metoda nr. 3 de detectare a punctului de putere maxima.
Bateriile de acumulatori au o tensiune nominala la borne de 48V iar capacitatea de 150Ah. Prin urmare parametrii de iesire ai controlerului de incarcare trebuie sa fie in acord cu aceste date.
Controlerul turbinei eoliene este in principiu un convertor de energie care transfera energia electrica de la intrare spre iesire, cu pierderi cat mai mici.
Ein (u1, f1, i1) = Eout (u2, f2, i2) + Pierderi (1)
De asemenea, controlerul trebuie sa dirijeze fluxul de energie catre sarcina utila sau catre o sarcina de descarcare, in cazul cand sarcina utila este in pericol de a primi mai multa energie decat normal, evitand astfel deteriorarea acesteia. Sarcina de descarcare (dumping) este necesara pentru a proteja turbina eoliana, care, fara sarcina ar ajunge la turatii periculos de mari.
Prin urmare controlerul turbinei eoliene trebuie sa aiba urmatorul set de parametrii de baza de proiectare:
Tensiune nominala de intrare - trebuie sa suporte tensiuni de intrare mai mari sau egale cu tensiunea la bornele generatorului eolian;
Curentul de intrare – trebuie sa fie mai mare sau egal cu curentul maxim pe care il poate debita generatorul eolian;
Curentul de iesire – mai mare sau egal cu curentul maxim de incarcare al acumulatorilor;
Tensiunea de iesire – in concordanta cu tensiunea maxima a grupului de baterii de acumulatori;
Posibilitatea de cuplare a sarcinii de descarcare pentru tensiunea maxima la iesire sau pentru o tensiune maxima prestabilita la intrare;
Curent suportat pe sarcina de descarcare mai mare decat curentul maxim suportat de generatorul turbinei
Acestea sunt principalul set de parametrii tehnici ai controlerului turbinei eoliene. In afara de acestia, mai sunt si alte caracteristici care nu sunt indispensabile dar sunt recomandabile, cum ar fi:
Masurarea temperaturii bateriilor de acumulatori;
Masurarea independenta a tensiunii chiar la bornele bateriei;
Monitorizarea parametrilor de intrare iesire;
Modulatie in latime a impulsurilor de incarcare;
Incarcare in 3 trepte - incarcare in plin, absorbtie, incarcare de mentinere si egalizare;
Protectie automata la supraincarcare in mod pasiv si activ;
Protectie la scurtcircuit si inversarea polaritatii.
In concordanta cu parametrii de proiectare si cu caracteristica turbinei eoliene prezentata in figura 3.1. , schema functionala a sistemului de management al sursei de energie eoliana este cea prezentata in figura 3.2.
Figura 3.1. Caracteristica turbinei eoliene
Figura 3.2. Schema functionala a sistemului de management al sursei de energie eoliana
unde :- Controlerul de incarcare are caracteristicile
Tehnologie Maximum Power Point Tracking (MPPT) Tensiunea nominala a bateriei de acumulatori: 48 Vdc Tensiunea de intrare maxima in operare: 140 Vdc Tensiunea de intrare maxima in circuit deschis: 150 Vdc Curentul maxim (de scurtcircuit) la iesire: 60 Adc
− Sarcina Descarcare (dumping)− Putere maxim disipata: 2000W− Rezistenta: 4 Ohm
− Controler Dumping Tensiune de prag de cuplare a sarcinii de descarcare: 140 V Plaja de reglaj a curentului de descarcare: 0 – 100A
Regulatorul de incarcare este ales conform algoritmului din figura 3.3.
Figura 3.3. Alegerea controlerului de incarcare
4. Proiectarea sistemului de management al sursei de energie recuperata
In principiu sistemul de management al sursei de energie recuperata din energia gazelor de esapament este asemanator celui de management al sursei de energie eoliana. Diferenta rezida in constructia generatorului electric care trebuie sa functioneze la turatii mult mai mari, de circa 100 de ori mai mari comparativ cu cel eolian. Din aceasta cauza, convertorul CA/CC va avea o constructie adaptata acestui tip de generator. In acest caz este nevoie doar de un convertor CC/CC cu regulator de tensiune si limitare de curent, pentru a putea fi interconectat cu linia de CC de 48V a sistemului electric de pe Eco-Boat. Astfel nu mai este nevoie de sarcina de dumping.
Generatorul electric cuplat la turbina are o putere de 5kW la o turatie de 36000 rot/min.
Prin urmare controlerul turbinei trebuie sa aiba urmatorul set de parametri de proiectare:
plaja de tensiuni de intrare - trebuie sa suporte tensiuni de intrare mai mari sau egale cu tensiunea la bornele generatorului
curentul de intrare – trebuie sa fie mai mare sau egal cu curentul maxim pe care il poate debita generatorul electric cuplat la axul turbinei.
puterea la iesire – mai mare sau egala cu cea a generatorului electric.
tensiunea de iesire – in concordanta cu tensiunea la bornele bateriei de acumulatori
In concordanta cu parametrii de proiectare si cu caracteristica turbinei, schema functionala a sistemului de management al sursei de energie recuperata este cea prezentata in figura 4.1.
Figura 4.1. Schema functionala a sistemului de management al sursei de energie recuperata
5. Proiectarea sistemului de management al bateriei de acumulatori si de control al motorului electric
Motorul termic are cuplat pe ax o masina electrica care va functiona in regim de motor cu o putere de 13 kW, iar in regim de generator cu o putere de 6 kW. Bateriile de acumulatori au o tensiune nominala la borne de 48 V iar capacitatea de 150 Ah.
In cazul bateriilor Li-FePo4, care sunt in uz pe piata, functiile de sesizare a supratensiunilor pe elementii acumulatori, sesizare a tensiunilor minim acceptabile pe elementii acumulatori, sesizare a supracurentilor de sarcina si de scurcircuit, monitorizare a temperaturii elementilor si intreruperea incarcarii sau descarcarii elementilor in cazul unor supratemperaturi cat si egalizarea (balansul) elementilor acumulatori, sunt incluse in constructia bateriei si sunt accesate de catre celelalte sisteme, prin intermediul unei linii de comunicatie CAN.
Functiile de determinare a starii de incarcare a sistemului de elementi acumulatori (SoC), determinare a capacitatii de stocare sistemului de elementi acumulatori (C) si comanda regimurilor optime de incarcare a bateriilor de acumulatori, sunt incluse in constructia modulului de comanda si control al masinii electrice, fiind in totala legatura cu modul de functionare al acesteia. Aceste functii sunt accesate tot prin intermediul liniei de comunicatii CAN.
Schema de principiu a unui astfel de sistem de management si controlal energiei in sistemul de tractiune hibrida este prezentata in figura 5.1.
Figura 5.1. Schema sistemului de management si control al energiei in sistemul de tractiune hibrida
unde :- PC este modulul de control si monitorizare a bateriei de acumulatori si deasemenea
de afisaj ai parametrilor monitorizati. Acest modul permite setarea vitezei sau cuplul motorului electric și permite vizualizarea vitezei curente precum și o serie de alte mărimi, cum ar fi tensiunea la bornele bateriei, curent prin al baterie, curentul prin motor, timpul de propulsie ramas daca se pastreaza acest curent, starea de incarcare a bateriilor, si capacitatea ramasa de consumat. Deasemenea indica modul de incarcare a bateriilor si semnalizeaza starea de descarcare minim acceptabila pentru baterii.
- CM este controlerul masinii electrice care permite atat managementul bateriei de acumulatori cat si controlul vectorial al masinii electrice fara senzori, controlul turatiei si al cuplului. CM permite functionarea masinii electrice in regim de generator controland totodata curentul de incarcare al bateriilor.
- PC si CM comunica intre ele si deasemenea cu sistemul de baterii de acumulatori, prin protocol CAN.
Proiectul sistemului de management si control este prezentat schematic in figura 5.2.
Figura 5.2. Sistemul de management si control
6. Sistem de management si control SMC/ECO BOAT– model experimental
Modelul experimental al sistemului de management al energiei pe EcoBoat
In continuare vor fi rezentate detalii privind elementele componente ale sistemului de management si control, realizat de Icpe in cadrul etapei nr. 3.
6.1. Convertorul CC/CA cu bloc de management al bateriilor de acumulatori.Atunci cand tensiunea la bornele bateriilor de acumulatori atinge un prag minim, se
comanda trecerea motorului electric in regim de generator.
6.2 Controlerul de incarcare al bateriilor de acumulatori.Controlerul (convertor CC/CC) incarca bateriile de acumulatori de la surse ce genereaza
energie electrica utilizand energii regenerabile (soare, vant).
6.3. Bateriile de acumulatori cu tensiunea la borne de 48V
Asigura tensiunea de alimentare necesara efectuarii incercarilor de laborator functionale ale modelului experimental
6.4. Blocul de comanda si control al motorului electric (controlerul motorului electric). Comanda fluxurile de energie electrica intre bateriile de acumulatori si motorul electric.
6.5. Motorul electric (sistemul de propulsie)
6.6. Surse de tensiune continua prin care se simuleaza productia de energie electrica din energii regenerabile.
7. ConcluziiProiectul Eco boat are ca finalitate realizarea si prezentarea solutiei unei ambarcaţiuni
ecologice sustenabile pe toata durata de viaţă, cu eficienţă sporită şi consum mic de energie.
Activitatile desfasurate de ICPE in anul 2013 s-au focusat in principal pe integrarea si finalizarea obiectivelor aferente acestui proiect
Realizarea modelului experimental de catre Icpe, pe baza solutiei prezentate in acest raport tehnic, a fost avizata in cadrul atelierelor de lucru de catre coordonatorul proiectului.
Modelul experimental realizat de Icpe va fi integrat in cadrul ambarcatiunii.
