GR20200100205A - Εξυπνο συστημα ανακυκλωσης της ενεργειας για την ενσωματωση φανων led σε φορτηγα οχηματα - Google Patents

Abstract

Ολοκληρωμένο σύστημα φωτισμού το οποίο επιτρέπει την απρόσκοπτη χρήση φανών LED στα φορτηγά οχήματα, με την υιοθέτηση τεχνολογιών ηλεκτρονικών ισχύος, με τρόπο ενεργειακά βιώσιμο. Συγκεκριμένα, το ολοκληρωμένο σύστημα φωτισμού αυξάνει εικονικά την κατανάλωση των φανών LED σε κατάλληλα επίπεδα, προκειμένου ο κεντρικός έλεγχος της πλειονότητας των φορτηγών οχημάτων να τους αναγνωρίζει και να μην θεωρεί ότι υφίσταται βλάβη φωτισμού. Η καινοτομία του ολοκληρωμένου αυτού συστήματος έγκειται στο γεγονός ότι η ηλεκτρική ενέργεια της εικονικής κατανάλωσης δεν αναλώνεται σε ψευδοφορτία (π.χ. ωμικές αντιστάσεις) αλλά επιστρέφεται (ανακυκλώνεται) στους συσσωρευτές του οχήματος, μέσω ενός κατάλληλου ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Επομένως το έξυπνο σύστημα ανακύκλωσης της ενέργειας εξασφαλίζει τη δυνατότητα χρήσης φανών LED στα φορτηγά οχήματα, ελαχιστοποιώντας την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Με αυτόν τον τρόπο αναβαθμίζεται η οδηγική συμπεριφορά των φορτηγών οχημάτων, ενώ ταυτόχρονα ενισχύεται η ασφάλεια της οδήγησης-μεταφορών. Παράλληλα επιμηκύνεται η διάρκεια ζωής των συσσωρευτών του φορτηγού οχήματος χάρις την εξάλειψη των παθητικών καταναλώσεων.

Description

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ

Τίτλος Διπλώματος Ευρεσιτεχνίας: Έξυπνο σύστημα ανακύκλωσης της ενέργειας για την ενσωμάτωση φανών LED σε φορτηγά οχήματα

Πεδίο εφαρμογής

Η παρούσα εφεύρεση είναι μία συσκευή που έχει ως βασικό στόχο να αντικαταστήσει τα συμβατικά ψευδοφορτία, καθιστώντας τους φανούς LED πλήρως συμβατούς με τους κεντρικούς ελεγκτές των φορτηγών οχημάτων παλαιότερων τύπων. Το πλεονέκτημα της παρούσας εφεύρεσης είναι η δραστική μείωση της κατανάλωσης στο κύκλωμα φωτισμού, χάρις την ανακύκλωση της επιπρόσθετης ενέργειας του «ψευδοφορτίου» με την επιστροφή της στον συσσωρευτή σε πραγματικό χρόνο. Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται το χονδρικό διάγραμμα του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης της ενέργειας. Σύμφωνα με το διάγραμμα, το έξυπνο σύστημα είναι ένας τρίθυρος μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση (Σ.Τ./Σ.Τ.), ο οποίος εκτελείδύο λειτουργίες: α) επιτρέπειτην άμεση τροφοδότηση του φανού τύπου LED από τον συσσωρευτή και την απενεργοποίηση του, σύμφωνα με τους χειρισμούς του οδηγού, β) αυξάνει - τεχνητά - την ηλεκτρική κατανάλωση του φανού τύπου LED, επιστρέφοντας την περίσσεια ενέργειας στον συσσωρευτή.

Η ενσωμάτωση της εν λόγω συσκευής μπορεί να προσφέρει τις παρακάτω λειτουργίες:

1. Ενεργοποίηση/Απενεργοποίηση του φανού τύπου LED,

2. Ανακύκλωση και επιστροφή της περίσσειας ενέργειας στον συσσωρευτή

3. Παραμετροποίηση της λειτουργίας της (π.χ. καθορισμός του ύψους της ανακυκλώμενης ισχύος)

4. Ανταλλαγή πληροφοριών με τον χρήστη (π.χ. μετρήσεις ισχύος/ενέργειας, ώρες λειτουργίας, μηνύματα σφαλμάτων)

Περιγραφή του προβλήματος

Όπως είναι γνωστό, οι λαμπτήρες LED παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι τόσο των συμβατικών λαμπτήρων πυρακτώσεως, όσο και των λαμπτήρων φθορισμού (CFL). Κατ' αρχάς, οι λαμπτήρες LED είναι εξαιρετικά ανθεκτικοί σε κραδασμούς, δομήσεις και χτυπήματα. Το χαρακτηριστικό αυτό τους καθιστά απόλυτα συμβατούς με την περίπτωση των φορτηγών οχημάτων. Ένα επιπρόσθετο χαρακτηριστικό των λαμπτήρων τύπου LED προς αυτήν την κατεύθυνση, είναι το γεγονός ότι λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες (μέχρι 60 °C). Επομένως, οι ρύποι που συσσωρεύονται στα φωτιστικά σώματα των οχημάτων δεν καίγονται πάνω στην επιφάνεια του φωτιστικού και μπορούν να απομακρυνθούν με καθαρισμό. Έτσι, αποφεύγεται η συσσώρευση ρύπων που μπορεί να προκαλέσει σημαντική μείωση της απόδοσης του φωτιστικού, καθώς εμποδίζει το φως του λαμπτήρα να διαχυθεί ελεύθερα προς το περιβάλλον.

Σε ό,τι αφορά στην ποιότητα του παραγόμενου φωτισμού, η απόδοση των λαμπτήρων τύπου LED είναι σαφώς ανώτερη έναντι των συμβατικών λαμπτήρων πυρακτώσεως αλλά και λαμπτήρων CFL.

Συγκεκριμένα, παρέχει μεγαλύτερη φωτεινότητα καί απόδοση των χρωμάτων, ιδιαίτερα τις νυχτερινές ώρες. Επιπρόσθετα, οι λαμπτήρες τύπου LED επιτυγχάνουν σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας. Τούτο οφείλεται στο γεγονός οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε σχεδόν μονοχρωματικό φως με τρόπο άμεσο, που δεν συνοδεύεται από σημαντική εκπομπή θερμότητας προς το περιβάλλον.

Η παραπάνω ανάλυση αναδεικνύει την ανάγκη για μαζική χρήση λαμπτήρων τύπου LED στα φορτηγά οχήματα. Παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία αυτή υιοθετείται σήμερα από ορισμένα νέου τύπου οχήματα, εντούτοις το μεγαλύτερο μέρος του παγκόσμιου στόλου φορτηγών οχημάτων δεν έχει σχεδιαστεί για αυτήν την τεχνολογία. Το πρόβλημα έγκειται στο γεγονός ότι η εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση των λαμπτήρων τύπου LED δεν είναι δυνατό να αναγνωριστεί από τον κεντρικό ελεγκτή αυτών των οχημάτων, με αποτέλεσμα να καταλήγει στην εσφαλμένη απόφαση ότι υπάρχει σφάλμα φωτισμού και να διακόπτει αυτήν την τροφοδοσία. Συγκεκριμένα, όλα τα φορτηγά-ημιφορτηγά οχήματα τα οποία έχουν κατασκευαστεί να φέρουν φανούς με λάμπες περιλαμβάνονται σε αυτήν την περίπτωση, ενώ έως και σήμερα κατασκευάζονται φορτηγά που ο κεντρικός τους έλεγχος δεν αντιλαμβάνεται την μικρή κατανάλωση του LED. Προκειμένου να αρθεί αυτό το πρόβλημα, έχουν αναπτυχθεί προϊόντα τα οποία λειτουργούν ως φευδοφορτία. Πρόκειται δηλαδή για διατάξεις που συνδέονται παράλληλα στον φανό τύπου LED και αυξάνουν την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, ώστε να φτάνει στα επίπεδα που αναγνωρίζει ο ελεγκτής του φορτηγού οχήματος. Πέρα από το γεγονός ότι η ενέργεια αυτή σπαταλιέται ασκόπως (μετατρέπεται σε θερμότητα που διαχέεται στο περιβάλλον), ένα πιο σημαντικό ζήτημα που προκύπτει είναι η επιβάρυνση των συσσωρευτών του οχήματος. Το γεγονός αυτό μειώνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής των συσσωρευτών και επομένως το ρυθμό αντικατάστασής τους. Εκτός λοιπόν από το επιπρόσθετο κόστος που συνεπάγεται η συχνότερη αντικατάσταση των συσσωρευτών, προκύπτει σημαντική επιβάρυνση για το περιβάλλον λόγω της επιπρόσθετης ανάγκης για ανακύκλωση συσσωρευτών μολύβδου-οξέως.

Το πλεονέκτημα της παρούσας εφεύρεσης έγκειται στο γεγονός ότι μπορεί να συμβάλλει στην περαιτέρω διάδοση και χρήση της τεχνολογίας φωτισμού LED στα φορτηγά οχήματα με τρόπο ενεργειακά βιώσιμο. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση μιας και μόνο συσκευής, η οποία μπορεί να ενσωματωθεί σε οποιονδήποτε τύπο φορτηγού οχήματος.

Η ειδοποιός διαφορά της εφεύρεσης σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους παθητικής κατανάλωσης έγκειται στο γεγονός ότι το έξυπνο αυτό σύστημα ανακυκλώνει την επιπρόσθετη ενέργεια του «ψευδοφορτίου» και την επιστρέφει στο συσσωρευτή του οχήματος σε πραγματικό χρόνο.

Ανάλυση των τεχνοοικονομικών στόχων του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης ενέργειας:

Ως ενδεικτικό παράδειγμα μπορεί να εξεταστεί η περίπτωση της κατασκευάστριας εταιρείας VOLVO, σύμφωνα με την οποία, ο φωτισμός ενός φορτηγού οχήματος της σε στάθμευση (Parking Mode) είναι της τάξης των 5Ah/h. Λαμβάνοντας υπόψη τη σχετική νομοθεσία και τις προδιαγραφές των κατασκευαστών φορτηγών οχημάτων, προκύπτει ότι κατά μέσο όρο η διάρκεια παραμονής σε στάθμευση είναι της τάξης των 5h/ημέρα. Τούτο συνεπάγεται την κατανάλωση 25Αh/ημέρα κατά μέσο όρο σε κατάσταση στάθμευσης μόνο για τον φωτισμό. Δεδομένου ότι ένας τυπικός συσσωρευτής φορτηγού οχήματος έχει 225 Ah ονομαστική χωρητικότητα και 50% μέγιστο βάθος εκφόρτισης, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι ο φωτισμός σε κατάσταση στάθμευσης επιβαρύνει τον συσσωρευτή του φορτηγού με 70 κύκλους λειτουργίας ετησίως (κατά μέσο όρο).

Σύμφωνα με τα τεχνικά στοιχεία της εταιρείας VARTA αλλά καί από δεδομένα φορτηγών οχημάτων σε κυκλοφορία (της εταιρείας DASTERI) ένας συσσωρευτής φορτηγού οχήματος έχει μέγιστο αριθμό κύκλων λειτουργίας 200 - 800, ενώ η μέγιστη χρονική διάρκεια ζωής δεν ξεπερνά τα 2 έτη. Τα δεδομένα αυτά μας οδηγούν στο συμπέρασμα πως ο φωτισμός των φορτηγών οχημάτων μειώνουν τη διάρκεια ζωής των συσσωρευτών τους σε ποσοστό που κυμαίνεται μεταξύ 15% - 70%. Επομένως, ο περιορισμός της κατανάλωσης του φωτισμού σε ποσοστό της τάξης του 70%, με τη χρήση των φανών τύπου LED καί του προτεινόμενου προϊόντος ανακύκλωσης της ενέργειας, αναμένεται να αυξήσει τη διάρκεια ζωής των συσσωρευτών των φορτηγών οχημάτων σε ποσοστό 10% - 50%. Ο στόχος αυτός, πέρα από το οικονομικό όφελος για το φορτηγό όχημα, έχει αναλογικό περιβαλλοντικό όφελος από τον περιορισμό της ανάγκης αντικατάστασης / ανακύκλωσης των συσσωρευτών - όπως αναλύθηκε προηγουμένως.

Προκειμένου να επιτευχθεί ο παραπάνω στόχος, πρέπει το έξυπνο σύστημα ανακύκλωσης της ενέργειας να πληροί ιδιαίτερα απαιτητικές τεχνικές προδιαγραφές, οι οποίες συνοψίζονται ως εξής:

Βαθμός απόδοσης ηλεκτρονικού μετατροπέα ανακύκλωσης της ενέργειας: Ο μετατροπέας θα πρέπει να παρουσιάζει βαθμό απόδοσης της τάξης του 95% για το ονομαστικό φορτίο ανακύκλωσης.

Πυκνότητα ισχύος προϊόντος: Θα πρέπει να είναι τουλάχιστον ίσος με 3 kW/ kg.

Υψηλή αξιοπιστία: Το προϊόν θα πρέπει να χαρακτηρίζεται από υψηλή αξιοπιστία, η οποία μεταφράζεται σε τιμή του δείκτη MTBF (Mean Time Between Failures) της τάξης των 10,000h. FI τιμή αυτή διασφαλίζει ότι το προϊόν ανακύκλωσης της ενέργειας θα έχει διάρκεια ζωής ίση με αυτή των λαμπτήρων τύπου LED.

Προστασία έναντι επικίνδυνων τάσεων επαφής: Ο σχεδιασμός θα αποτρέπει τη δημιουργία επικίνδυνων τάσεων επαφής για τον χρήστη, ακόμη και σε περιπτώσεις κακού χειρισμού ή σφαλμάτων.

Ευέλικτος σχεδιασμός: Το προϊόν θα πρέπει να χαρακτηρίζεται από ευελιξία ως προς την προσαρμογή της ισχύος ανακύκλωσης και της εγκατάστασής του σε φορτηγά οχήματα.

Δυναμική απόκριση: Η ανακύκλωση της ενέργειας θα πρέπει να έχει χρονική σταθερά απόκρισης της τάξης των 10 msec, προκειμένου να αποφευχθεί η χρήση μεγάλης χωρητικότητας για την ενδιάμεση αποθήκευση ενέργειας.

Κόστος κατασκευής: Σύμφωνα με τα προκαταρκτικά στοιχεία από τον υφιστάμενο ανταγωνισμό, το προτεινόμενο προϊόν θα πρέπει να έχει κόστος κατασκευής μικρότερο από 0.2 € / W.

Περιγραφή του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης της ενέργειας

Προκειμένου να βρεθεί η βέλτιστη τεχνική λύση για το έξυπνο σύστημα ανακύκλωσης της ενέργειας, εξετάστηκαν διάφορες τοπολογίες μετατροπέων Σ.Τ./Σ.Τ. καθώς και διάφορες στρατηγικές ελέγχου. Η τοπολογία του μετατροπέα που εν τέλει επιλέχθηκε για το έξυπνο σύστημα ανακύκλωσης της ενέργειας είναι ο συνδυασμός δύο ξεχωριστών ώριμων μετατροπέων Σ.Τ./Σ.Τ., ενός μετατροπέα Ανύψωσης (Boost) και ενός μετατροπέα Υποβιβασμού (Buck) συνδεδεμένων σε σειρά όπως απεικονίζεται και στη γραμμοσκιασμένη περιοχή του Σχήματος 2. Η σειρά σύνδεσης των δύο μετατροπέων Σ.Τ./Σ.Τ. ενδέχεται να είναι και διαφορετική, δηλαδή ο μετατροπέας Υποβιβασμού να αποτελεί τον πρώτο εν σειρά μετατροπέα και ο μετατροπέας Ανύψωσης τον δεύτερο εν σειρά μετατροπέα. Αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί με κατάλληλη τροποποίηση των φίλτρων εισόδου και εξόδου των δύο μετατροπέων.

Οι μετατροπείς αυτοί αναλαμβάνουν τόσο την απορρόφηση ενέργειας από τον συσσωρευτή (έτσι ώστε να αυξάνεται εικονικά η απορρόφηση ενέργειας του λαμπτήρα και να διασφαλίζεται η ομαλή λειτουργία αυτού) όσο και την επιστροφή αυτής της ενέργειας πίσω στον συσσωρευτή, συμβάλλοντας στην εξοικονόμηση ενέργειας και τη μεγιστοποίηση της διάρκειας ζωής της. Συνεπώς, οι επιμέρους απώλειες των μετατροπέων και εν τέλει ο συνολικός βαθμός απόδοσης του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης της ενέργειας αποτελούν τα βασικά κριτήρια του σχεδιασμού. Υπό αυτό το πρίσμα, η σχεδίαση του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης της ενέργειας πραγματοποιείται με τη χρήση προσομοιωτών υψηλής ακρίβειας, προκειμένου να υπολογισθούν επακριβώς οι απώλειες και ο βαθμός απόδοσης των επιμέρους μετατροπέων Σ.Τ./Σ.Τ.

Η στρατηγική ελέγχου αυτών των δύο ξεχωριστών μετατροπέων παρουσιάζεται στο Σχήμα 3. Σύμφωνα με το Σχήμα 3, η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (Pulse Width Modulation, PWM) επιλέγεται για την οδήγηση τόσο του μετατροπέα Ανύψωσης όσο και του μετατροπέα Υποβιβασμού, βασιζόμενη στην στρατηγική ελέγχου μέγιστου ρεύματος (Peak Current Control, PCC). Με αυτόν τον τρόπο, η μέγιστη τιμή του διακοπτικού ρεύματος των μετατροπέων περιορίζεται εντός των επιθυμητών επιπέδων, εφαρμόζοντας τους κατάλληλους διακοπτικούς παλμούς (S1) και (S ).

Η στρατηγική παλμοδότησης του μετατροπέα Ανύψωσης περιλαμβάνει έναν διπλό βρόχο ελέγχου έναν εξωτερικό αναλογικό ελεγκτή (αντισταθμιστή τάσης), ο οποίος περιλαμβάνει έναν συγκριτή και έναν αναλογικό ενισχυτή σφάλματος προκειμένου να εκτελέσει τη σύγκριση ανάμεσα στην τιμή αναφοράς και στην πραγματική μέση τιμή της τάσης (Vout, Boost). Το σφάλμα ανάμεσα στην τιμή αναφοράς και στην πραγματική τιμή οδηγείται στη συνέχεια στον εσωτερικό βρόχο ελέγχου προκειμένου να παραχθεί η τιμή αναφοράς για το διακοπτικό ρεύμα (isw, Boost, ref). Αυτή η τιμή συγκρίνεται εν τέλει με την πραγματική τιμή του διακοπτικού ρεύματος (isw,Boost) προκειμένου να παραχθεί ο διακοπτικός παλμός (S1).

Με παρόμοιο τρόπο η στρατηγική παλμοδότησης του μετατροπέα Υποβιβασμού χρησιμοποιεί έναν διπλό βρόχο<'>έναν εξωτερικό αναλογικό ελεγκτή (αντισταθμιστή ρεύματος), ο οποίος περιλαμβάνει έναν συγκριτή και έναν αναλογικό ενισχυτή σφάλματος προκειμένου να εκτελέσει τη σύγκριση ανάμεσα στην τιμή αναφοράς (ibatt,ref) και στην πραγματική τιμή του ρεύματος του συσσωρευτή (ibatt). Το σφάλμα οδηγείται στον εσωτερικό βρόχο ελέγχου, προκειμένου να παραχθεί η τιμή αναφοράς για το διακοπτικό ρεύμα (isw, Buck, ref). Αυτή η τιμή συγκρίνεται έπειτα με το πραγματικό διακοπτικό ρεύμα (isw,Buck) έτσι ώστε να παραχθεί εν τέλει ο κατάλληλος διακοπτικός παλμός (S ) για την οδήγηση του μετατροπέα Υποβιβασμού. Επομένως είναι προφανές ότι η συγκεκριμένη στρατηγική ελέγχου απαιτεί την ανατροφοδότηση των στιγμιαίων τιμών και των δύο διακοπτικών ρευμάτων καθώς και αυτών του ρεύματος του συσσωρευτή και της τάσης εξόδου του μετατροπέα Ανύψωσης.

Επιλογή κατάλληλου συνδυασμού μετατροπέων Σ.Τ./Σ.Τ.

Όπως προαναφέρθηκε, οι μετατροπείς Σ.Τ./Σ.Τ. οι οποίοι θα χρησιμοποιηθούν θα πρέπει να διατηρούν υψηλή απόδοση, να συμμορφώνονται με τα βιομηχανικά πρότυπα (π.χ. στιβαρότητα κατασκευής, παροχή προστασίας έναντι υπέρτασης/υπερθέρμανσης), να χαρακτηρίζονται από υψηλή ευελιξία/αξιοπιστία και να μπορούν να εγκατασταθούν εύκολα. Υπό αυτό το πρίσμα, το έξυπνο σύστημα εξοικονόμησης ενέργειας δεν μπορεί να πληροί όλα τα παραπάνω χαρακτηριστικά για όλα τα επίπεδα τάσης (π.χ. 12, 24, 36, 48 V) την ίδια στιγμή. Για τον λόγο αυτόν, ο σχεδιασμός του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης της ενέργειας επικεντρώνεται σε δύο διαφορετικά επίπεδα τάσης, δηλαδή για συσσωρευτές στα 12/24 V και 36/48 V.

Λαμβάνοντας υπόψιν τις παραπάνω τεχνικές προδιαγραφές, για τη δημιουργία του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης ενέργειας επιλέχθηκαν δύο μετατροπείς Σ.Τ./Σ.Τ. με μεμονωμένο έλεγχο. Ο μετατροπέας Ανύψωσης επιλέχθηκε να αποτελεί τον πρώτο μετατροπέα βάσει του Σχήματος 3, λόγω του χαμηλού διακοπτικού ρεύματος που παρουσιάζει στην είσοδό του (αυτό επιτυγχάνεται όταν λειτουργεί σε συνθήκες συνεχούς αγωγής). Ο μετατροπέας Υποβιβασμού επιλέχθηκε να αποτελεί τον δεύτερο μετατροπέα (ο οποίος συνδέεται σε σειρά με τον πρώτο), όπως φαίνεται και στο Σχήμα 3. Ο βασικός λόγος αυτής της επιλογής είναι το χαμηλό διακοπτικό ρεύμα που παρουσιάζει στην έξοδό του. Ωστόσο, όπως προαναφέρθηκε, η σειρά σύνδεσης των δύο μετατροπέων ενδέχεται ναι είναι και διαφορετική, δηλαδή ο μετατροπέας Υποβιβασμού να αποτελεί τον πρώτο εν σειρά μετατροπέα και ο μετατροπέας Ανύψωσης τον δεύτερο εν σειρά μετατροπέα.

Τέλος, πραγματοποιήθηκαν εκτεταμένες προσομοιώσεις του τελικού ανεπτυγμένου ηλεκτρικού κυκλώματος του Σχήματος 3, οι οποίες παρουσιάζονται αναλυτικά στην επόμενη ενότητα. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν για τάσεις συσσωρευτών 12/24 V και 36/48 V.

12/24 V τάση συσσωρευτών

Σε αυτήν την ενότητα παρουσιάζονται και επεξηγούνται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για το έξυπνο σύστημα ανακύκλωσης της ενέργειας σε επίπεδο τάσης συσσωρευτών 12/24 V. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα το οποίο επιλέχθηκε για τον μετατροπέα Ανύψωσης είναι το TPS55340-EP, ενώ για τον μετατροπέα υποβιβασμού είναι το TPS557040-Q1.

Στην περίπτωση των 12 V τάσης συσσωρευτών, το ρεύμα φόρτισης το οποίο μελετάται είναι μόνο 0.4 Α, εξαιτίας του γεγονότος ότι χαμηλότερο ρεύμα φόρτισης δεν θα ξεπερνούσε το κατώτατο όριο κατανάλωσης που αντιλαμβάνεται ο κεντρικός ελεγκτής των φορτηγών οχημάτων, όπως συζητήθηκε και πιο πάνω. Επιπρόσθετα, ένας ακόμη λόγος ο οποίος δεν επιτρέπει χαμηλότερο ρεύμα φόρτισης σε αυτό το επίπεδο τάσης, είναι η χαμηλός βαθμός απόδοσης που παρουσιάζειτο έξυπνο σύστημα ανακύκλωσης της ενέργεια και έρχεται σε αντίθεση με τις αρχικές προδιαγραφές που τέθηκαν. Από την άλλη πλευρά, στην περίπτωση των 24 V τάσης συσσωρευτών, δύο διαφορετικά επίπεδα ρεύματος φόρτισης εξετάζονται κα αυτά είναι 0.2 Α και 0.4 Α, καθώς δεν τίθενται πλέον θέματα χαμηλή κατανάλωσης που αντιλαμβάνεται ο κεντρικός ελεγκτής.

Το Σχήμα 4 παρουσιάζει το ρεύμα εκφόρτισης (ibatt(discharge)) - το ρεύμα που τροφοδοτείται από τον συσσωρευτή στον μετατροπέα Ανύψωσης και το ρεύμα φόρτισης (ibatt(charge)) - το ρεύμα που επιστρέφει από την έξοδο του μετατροπέα Υποβιβασμού στον συσσωρευτή, καθώς και το επίπεδο της τάσης που φορτίζεται ο συσσωρευτής, (Vbatt), το οποίο είναι 12 V. Σύμφωνα με το Σχήμα 4, είναι προφανές ότι η διακύμανση του ρεύματος και της τάσης φόρτισης είναι αμελητέο, ενώ το ρεύμα εκφόρτισης παρουσιάζει σημαντική διακύμανση (περίπου 0.2 Α). Στο Σχήμα 5, η διακύμανση για το ρεύμα και την τάση φόρτισης για την περίπτωση των 24 V είναι επίσης αμελητέα, ενώ και σε αυτήν την περίπτωση το ρεύμα εκφόρτισης παρουσιάζει αξιοσημείωτη διακύμανση (0.2 Α). Τέλος, στο Σχήμα 6, το ρεύμα και η τάση φόρτισης - για την περίπτωση των 24 V με 0.4 Α μέσο ρεύμα φόρτιση - παρουσιάζουν αμελητέα διακύμανση, ενώ η διακύμανση του ρεύματος εκφόρτισης είναι κατάτι μεγαλύτερο και περίπου ίσο με 0.3 Α.

Από τα παραπάνω αποτελέσματα, εξάγεται το συμπέρασμα ότι η διακύμανση στο ρεύμα και στην τάση φόρτισης είναι εξαιρετικά χαμηλή σε όλες τις υπό μελέτη περιπτώσεις, γεγονός που πληροί τις αρχικές προδιαγραφές. Ωστόσο, η διακύμανση του ρεύματος εκφόρτισης είναι αξιοσημείωτη σε όλες τις περιπτώσεις, γεγονός που απαιτεί την προσθήκη ενός επιπλέον φίλτρου (LC) στην είσοδο του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης της ενέργειας προκειμένου να μειώσει τις ταλαντώσεις του ρεύματος εκφόρτισης και να παρατείνει τη διάρκεια ζωής του συσσωρευτή.

Επιπρόσθετα, τα Σχήματα 7,8 καί 9 παρουσιάζουν τις μεμονωμένες απώλειες για το κάθε στοιχείο για όλες τις υπό μελέτη περιπτώσεις. Προφανώς, οι συνολικές απώλειες του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης της ενέργειας είναι χαμηλότερες από 0.4 W (0.253 W για περίπτωση 12 V/0.4 A, 0.144 W για την περίπτωση 24 V/0.2 Α και 0.392 W για την περίπτωση 24 V/ 0.4 Α), γεγονός που υποδεικνύει ότι δεν απαιτείται η χρήση επιπλέον ψύξης (προκειμένου να διατηρηθεί η θερμοκρασία του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης της ενέργειας εντός των προτύπων ασφαλείας). Επιπρόσθετα, φαίνεται ότι το ποσοστό των απωλειών για το κάθε μεμονωμένο στοιχείο - τα οποία είναι οι πυκνωτές (C1), (C2), οι δίοδοι (D1), (D2), τα πηνία (L1), (L2), και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα (IC1) για τον μετατροπέα Ανύψωσης και (IC2) για τον μετατροπέα Υποβιβασμού, οι οποίοι περιλαμβάνουν τους διακόπτες (S1) και (S2) αντίστοιχα - επηρεάζονται από το επίπεδο της τάσης και ρεύματος φόρτισης για την κάθε περίπτωση.

Τέλος, στο Σχήμα 10 παρουσιάζεται ο βαθμός απόδοσης του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης της ενέργειας για την κάθε περίπτωση. Είναι προφανές ότι ο βαθμός απόδοσης σε όλες τις περιπτώσεις ξεπερνά το 94% (94.8% για την περίπτωση 12 V/0.4 Α, 96% για την περίπτωση 24 V/0.2 Α και 96.8% για την περίπτωση 24 V/ 0.4 Α), γεγονός που το καθιστά σύμφωνο με τις επιθυμητές προδιαγραφές.

36/48 V τάση συσσωρευτών

Σε αυτήν την ενότητα παρουσιάζονται και επεξηγούνται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για το έξυπνο σύστημα ανακύκλωσης της ενέργειας σε επίπεδο τάσης συσσωρευτών 36/48 V. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα το οποίο επιλέχθηκε για τον μετατροπέα Ανύψωσης είναι το LM5001-Q1, ενώ για τον μετατροπέα υποβιβασμού είναι το TPS57060-Q1.

Και στις δύο περιπτώσεις προσομοίωσης, το μέσο ρεύμα φόρτισης επιλέχθηκε να είναι 0.4 Α, μια και χαμηλότερες τιμές του ρεύματος φόρτισης οδηγούν το έξυπνο σύστημα ανακύκλωσης της ενέργειας σε χαμηλό βαθμό απόδοσης.

Στο Σχήμα 11 παρουσιάζονται οι βασικές κυματομορφές του ρεύματος φόρτισης (ibatt(charge)) και εκφόρτισης (ibatt(discharge)) του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης ενέργειας, καθώς και η τάση φόρτισης των συσσωρευτών (Vbatt), που στην προκειμένη περίπτωση είναι 36 V. Παρόμοια με τα αποτελέσματα της προηγούμενης ενότητας (12/24 V), η διακύμανση της τάσης και του ρεύματος φόρτισης είναι αμελητέα, το οποίο σημαίνει ότι δεν υπάρχει ανάγκη επιπλέον φίλτρου στην έξοδο. Ωστόσο, η διακύμανση του ρεύματος εκφόρτισης είναι της τάξης του 0.15 Α.

Στο Σχήμα 12 παρουσιάζονται οι βασικές κυματομορφές του ρεύματος φόρτισης (ibatt(charge)) και εκφόρτισης (ibatt(discharge)) του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης ενέργειας, καθώς και η τάση φόρτισης των συσσωρευτών (Vbatt), για την περίπτωση των 48 V. Τόσο η διακύμανση της τάσης όσο και αυτή του ρεύματος φόρτισης είναι εξαιρετικά μικρή, γεγονός που υποδεικνύει ότι δεν απαιτείται περαιτέρω φιλτράρισμα της τάσης και του ρεύματος εξόδου. Το ίδιο όμως φαίνεται να ισχύει και για την είσοδο του του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης ενέργειας, μιας και το ρεύμα εκφόρτισης είναι της τάξης των 0.09 Α και παραμένει σταθερό καθ' όλη τη διάρκεια της φόρτισης. Το γεγονός αυτό οφείλεται στο ότι το έξυπνο σύστημα ανακύκλωσης της ενέργειας λειτουργεί πλέον σε υψηλότερα επίπεδα ισχύος, με αποτέλεσμα η διακύμανση του ρεύματος εκφόρτισης να μην είναι τόσο σημαντική.

Επιπρόσθετα, στα Σχήματα 13 και 14 παρουσιάζονται οι απώλειες ισχύος του κάθε στοιχείου μεμονωμένα καθώς και οι συνολικές απώλειες του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης ενέργειας και για τις δύο υπό μελέτη περιπτώσεις. Πιο συγκεκριμένα, οι συνολικές απώλειες ισχύος για την περίπτωση των 36 V/0.4 Α είναι 1.44 W, ενώ οι αντίστοιχες για την περίπτωση των 48 V/0.4 Α είναι 1.04 W, το οποίο σημαίνει ότι σε αντίθεση με τα αποτελέσματα της προηγούμενης ενότητας (12/24 V), σε αυτήν την περίπτωση απαιτείται η ενσωμάτωση συστημάτων ψύξης, μιας και τα επίπεδα απωλειών είναι μεγαλύτερα. Τέλος, στο Σχήμα 15 παρουσιάζεται ο συνολικός βαθμός απόδοσης του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης ενέργειας και για τις δύο υπό μελέτη περιπτώσεις. Είναι προφανές ότι ο βαθμός απόδοσης σε όλες τις περιπτώσεις ξεπερνά το 94% (94.18% για την περίπτωση 36 V/0.4 Α καί 94.55% για την περίπτωση 48 V/0.4 Α), γεγονός που το καθιστά σύμφωνο με τις επιθυμητές προδιαγραφές.

Συμπεράσματα

Το έξυπνο σύστημα ανακύκλωσης ενέργειας αναλύθηκε θεωρητικά και επιβεβαιώθηκε μέσω δοκιμών. Απεδείχθη ότι το σύστημα αυτό μπορεί να εγκατασταθεί σε φορτηγά οχήματα και να επιτρέψει την απρόσκοπτη χρήση φανών LED με τρόπο ενεργειακά βιώσιμο, υιοθετώντας καινοτόμες τεχνολογίες ηλεκτρονικών ισχύος. Η καινοτομία του συστήματος αυτού έγκειται στην αντικατάσταση των παθητικών ψευδοφορτίων (τα οποία αποτελούνται από ωμικές αντιστάσεις που καταναλώνουν ενέργεια) με μια βιώσιμη τοπολογία ηλεκτρονικών ισχύος, η οποία αυξάνει εικονικά την κατανάλωση ισχύος του φωτιστικού σώματος στο επίπεδο που αναγνωρίζει ο κεντρικός ελεγκτής του οχήματος. Η τοπολογία αυτή αποτελείται από δύο ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος συνδεδεμένους σε σειράς, ενός μετατροπέα Ανύψωσης και ενός μετατροπέα Υποβιβασμού, προκειμένου να διαχειριστεί αποτελεσματικά την ενέργεια που απορροφάται εικονικά από τους συσσωρευτές. Η χρήση αυτών των δύο μετατροπέων σε σειρά, οι οποίοι και συνθέτουν το έξυπνο σύστημα ανακύκλωσης ενέργειας, επιτρέπει την επιστροφή της ενέργειας πίσω στους συσσωρευτές αντί να καταναλώνεται με τη μορφή θερμότητας σε ωμικά φορτία. Εκτεταμένες δοκιμές επιβεβαίωσαν τη λειτουργία του συστήματος για διάφορα επίπεδα τάσης συσσωρευτών, ικανοποιώντας παράλληλα τις επιθυμητές τεχνικές προδιαγραφές για βιομηχανικό πρωτότυπο.

Claims (6)

ΑΞΙΩΣΕΙΣ

1. Έξυπνο σύστημα ανακύκλωσης ενέργειας στο ηλεκτρικό σύστημα οχημάτων με σταθερή τάση (Σ.Τ.) τροφοδοσίας 48V, που επιτρέπει την ενσωμάτωση όλων των φανών νέας τεχνολογίας τύπου LED σε φορτηγά οχήματα παντός τύπου, χαρακτηριζόμενο από την εικονική αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας του φανού, σε επίπεδα που ανιχνεύονται από τον κεντρικό ελεγκτή του οχήματος, αλλά και την επιστροφή της ενέργειας αυτής πίσω στον συσσωρευτή του οχήματος, η οποία υλοποιείται με τη χρήση:

α) ενός μετατροπέα Ανύψωσης Τάσης (Boost Converter), ο οποίος λειτουργεί με έλεγχο τάσης και συνδέεται στην είσοδο του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης ενέργειας, αποτελώντας τον πρώτο από του δύο εν σειρά μετατροπείς Σ.Τ/Σ.Τ.,

β) ενός μετατροπέα Υποβιβασμού Τάσης (Buck Converter), οποίος λειτουργεί με έλεγχο ρεύματος και συνδέεται στην έξοδο του έξυπνου συστήματος ανακύκλωσης ενέργειας, αποτελώντας τον δεύτερο από του δύο εν σειρά μετατροπείς Σ.Τ./Σ.Τ.,

γ) μια ενδιάμεση χωρητικότητα για την προσωρινή αποθήκευση της εικονικής κατανάλωσης ενέργειας

2. Ο έλεγχος της τάσης εξόδου του μετατροπέας Ανύψωσης, σύμφωνα με την αξίωση 1, πραγματοποιείται εφαρμόζοντας έλεγχο μέγιστου ρεύματος στο ρεύμα του διακόπτη και περιγράφεται με τον εξής τρόπο:

α) Λαμβάνεται ανατροφοδότηση της τάσης εξόδου του μετατροπέα και μέσω ενός ενισχυτή σφάλματος, διαμορφώνεται η αναφορά του ρεύματος του διακόπτη

β) Όταν το ρεύμα του διακόπτη φτάσει στην τιμή της αναφοράς του, τότε ο διακόπτης τίθεται σε κατάσταση αποκοπής

γ) Με αυτόν τον τρόπο πραγματοποιείται έμμεσα ο έλεγχος της τάσης εξόδου

3. Ο έλεγχος του ρεύματος εξόδου του μετατροπέας Υποβιβασμού, σύμφωνα με την αξίωση 1, πραγματοποιείται εφαρμόζοντας έλεγχο μέγιστου ρεύματος στο ρεύμα του διακόπτη και περιγράφεται με τον εξής τρόπο:

α) Λαμβάνεται ανατροφοδότηση του μέσου ρεύματος εξόδου του μετατροπέα και μέσω ενός ενισχυτή σφάλματος, διαμορφώνεται η αναφορά του ρεύματος του διακόπτη

β) Όταν το ρεύμα του διακόπτη φτάσει στην τιμή της αναφοράς του, τότε ο διακόπτης τίθεται σε κατάσταση αποκοπής

γ) Με αυτόν τον τρόπο πραγματοποιείται έμμεσα ο έλεγχος του μέσου ρεύματος εξόδου

4. Ο μετατροπέας Υποβιβασμού σύμφωνα με τ πρώτο από τους δύο εν σειρά μετατροπείς Σ.Τ./Σ.Τ., φίλτρου στην είσοδό του για την εξομάλυνση του ρε

5. Ο μετατροπέας Ανύψωσης σύμφωνα με την δεύτερο από τους δύο εν σειρά μετατροπείς Σ.Τ./Σ.Τ φίλτρου στην έξοδό του για την εξομάλυνση του ρεύ

6. Έξυπνο σύστημα ανακύκλωσης ενέργειας σ γεγονός ότι το ηλεκτρικό σύστημα του οχήματος λει ην αξίωση 1, μπορεί εναλλακτικά να αποτελέσειτον , απαιτώντας ωστόσο κατάλληλη τροποποίηση του ύματος εισόδου.

αξίωση 1, μπορεί εναλλακτικά να αποτελέσει τον ., απαιτώντας ωστόσο κατάλληλη τροποποίηση του ματος εξόδου

ύμφωνα με την αξίωση 1, χαρακτηριζόμενο από το τουργεί σε Σ.Τ. 9-36V.