UNIVERSITATEA TRANSILVANIA din BRAŞOV Facultatea de Inginerie Electrică şi Ştiinţa Calculatoarelor. Ing.Aurel Cornel STANCA

Transcription

1 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA din BRAŞOV Facultatea de Inginerie Electrică şi Ştiinţa Calculatoarelor Ing.Aurel Cornel STANCA CONTRIBUŢII LA SISTEMELE DE CONTROL ALE AUTOVEHICULELOR CE UTILIZEAZĂ SUPERCONDENSATOARE CONTRIBUTIONS TO THE CONTROL SYSTEMS OF THE VEHICLES USING SUPERCAPACITORS Rezumatul tezei de doctorat Summary of Ph.D.Thesis Conducător ştiinţific Prof.univ.dr.ing.Iuliu SZEKELY BRAŞOV 010

2 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare 1 CUPRINS [R] [T] INTRODUCERE CAPITOLUL I. SISTEME DE CONTROL AUTO Sistemele de control ale autovehiculelor Sistemul de tracţiune al autovehiculelor Sistemul şasiu şi siguranţa pasagerilor Sistemul corp al autovehiculului şi confortul ocupanţilor Sistemul de informare şi multimedia Senzori şi actuatori pentru autovehicule Reţele de comunicaţie în autovehicule Controller Area Network (CAN) Local Interconnected Network (LIN) Microcontrolere utilizate în sistemele de control ale autovehiculelor Factorii care determină specificul microcontrolerelor utilizate în sistemele de control ale autovehiculelor Tipuri de microcontrolere destinate aplicaţiilor auto CAPITOLUL II. SUBSISTEMUL DE ÎNCĂRCARE A BATERIEI ŞI DE MANAGEMENT AL ENERGIEI Alternatorul Regulatorul de tensiune Bateria Construcţia şi funcţionarea acumulatorului electric acid-plumb Parametrii de bază ai acumulatoarelor electrice Supercondensatorul, alternativă a bateriei Construcţia şi parametrii supercondensatoarelor Încărcarea supercondensatoarelor CAPITOLUL III. SUBSISTEMUL DE PORNIRE A MOTORULUI CU COMBUSTIE INTERNĂ Demarorul Pornirea autovehiculului cu demarorul alimentat de la baterie Simularea pornirii automobilului cu ajutorul bateriei Experimente în condiţii reale Simularea pornirii automobilului cu ajutorul supercapacitorului CAPITOLUL IV. OPTIMIZAREA SUBSISTEMULUI DE PORNIRE A AUTOVEHICULELOR CE UTILIZEAZĂ SUPERCONDENSATOARE Strategii de comandă a demarajului cu sursă de energie hibridă, baterie şi supercondensator Strategia de comandă a demarajului, SC-B.MaxW Strategia de comandă a demarajului, SC-B.MaxP Strategia de comandă a demarajului, BSC-B.MaxP Actualizarea parametrilor R SC şi R B Maximizarea parametrilor η U şi r Pmax Selecţia supercondensatorului Selecţia traductorului de curent Implementarea strategiilor de comandă a demarajului SC-B.MaxP şi BSC-B.MaxP pe platforma experimentală Implementarea strategiilor de comandă a demarajului SC-B.MaxP şi BSC-B.MaxP într-un sistem cu microcontroler încorporat Implementarea hardware Implementarea software

3 Rezumatul tezei de doctorat CAPITOLUL V. SUBSISTEMUL DE MANAGEMENT AL PREÎNCĂLZITORULUI CONVERTORULUI CATALITIC Subsistemul de reglare a compoziţiei amestecului combustibil Schema bloc a subsistemului de management al preîncălzitorului convertorului catalitic Selecţia componentelor subsistemului Selecţia supercondensatorului Selecţia componentelor convertorului cc-cc 1-48,6V Selecţia rezistenţei de preîncălzire Selecţia traductorului de temperatură Funcţionarea subsistemului Diagrama temporală de funcţionare a subsistemului Algoritmul de conducere al subsistemului CAPITOLUL VI. SUBSISTEMUL DE MANAGEMENT AL ENERGIEI AUTOVEHICULULUI Modulul de control al motorului autovehiculului (ECM) Funcţiile şi structura sistemului modernizat de management al energiei autovehiculului Funcţionarea şi algoritmul de comandă a sistemului modernizat de management al energiei autovehiculului Implementarea algoritmului sistemului de management al energiei cu microcontrolerul PIC 18F4480/ Caracteristicile microcontrolerelor PIC 18F4480/ Modulul convertor A/D Modulul de tensiune de referinţă pentru comparatoare Modulul ECAN (Enhanced CAN) Transceiver-ul CAN Condiţionarea semnalelor Sursa de alimentare a modulului sistemului Montajul sistemului CAPITOLUL VII. CONCLUZII FINALE ŞI CONTRIBUŢII ORIGINALE BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

4 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare 3 INTRODUCERE Istoria automobilului se împarte în două mari perioade: perioada de început (clasică), cuprinzând epocile veterană, edwardiană, vintage, antebelică şi postbelică ce au fost marcate de tipul dominant al propulsiei autovehiculelor şi perioada a doua (modernă) definită mai ales de tendinţele stilului exterior şi al dimensiunilor precum şi de preferinţele utilitare. Perioada clasică este presărată de multe nume de inventatori: Nicolas-Joseph Cugnot, proiectantul primul automobil cu motor cu abur (1769); Karl Benz, recunoscut ca inventatorul automobilului modern; Nikolaus Otto, creatorul motorului cu combustie internă pe benzină în patru timpi; Rudolf Diesel, inventatorul motorului în patru timpi pe motorină; Christian Friedrich Schönbein, ce a fundamentat pila de combustie cu hidrogen (1838); Ányos Jedlik, inventatorul motorului electric; Gaston Planté, inventatorul bateriei acid-plumb (1859). Evoluţia autovehiculelor din punct de vedere al sistemului de propulsie poate fi jalonată de automobilul cu motor cu abur (1769), cu combustie internă cu gaz lichefiat (1806), cu combustie internă pe benzină (1885), cu motor electric (începutul secolului XX). Indiferent de epoca în care s-a fabricat, orice automobil are în componenţă sisteme de: propulsie, transmisie, direcţie, frânare, suspensie, răcire, eşapament şi electric. Controlul acestor sisteme se făcea la început numai prin subsisteme mecanice, electromecanice sau hidraulice. Pe măsura avansului tehnologic o parte din sarcinile controlului sistemelor automobilului au fost preluate de subsisteme electronice. Cu avantaje certe faţă de sistemele de conducere clasice, sistemele electronice analogice nu au putut totuşi realiza în unele cazuri funcţionalitate şi performanţe competitive. Acoperirea neajunsurilor a fost făcută de microcontrolere, care au revoluţionat tehnologia începând de acum 0 ani, prin posibilitatea pe care au oferit-o de a implementa algoritmi avansaţi de control. Creşterea cerinţelor de mediu de reducere a poluării şi a consumului de combustibil a fost una din raţiunile pentru care industria auto a fost cea mai rapidă în introducerea noilor tehnologii bazate pe microcontrolere. Activitatea de cercetare viguroasă din domeniu şi implementarea rapidă a soluţiilor permite aprecierea că autovehiculele de astăzi sunt maşini computerizate, având un număr foarte mare de microcontrolere incluse. Sistemele de control ale autovehiculelor sunt concepute având în vedere trei obiective fundamentale: eficienţa (consum redus de combustibil), emisii reduse (protejarea mediului înconjurător), siguranţa pasagerilor, dar şi un număr de alte obiective cum ar fi: confortul, uşurinţa şofatului, zgomotul redus, disponibilitatea, durata de exploatare extinsă [15]. Provocările legate de automobile continuă deoarece, dacă în anul 00 în întreaga lume circulau circa 590 milioane de automobile în anul 007 circulau deja circa 806 milioane. Creşterea spectaculoasă a numărului de autovehicule (mai ales în China şi India) amplifică îngrijorător fenomenul de încălzire globală, alături de celelalte surse de poluare. Din această perspectivă este necesar ca cercetările actuale să se concentreze pe descoperirea de surse de energie curată ce asigură şi o bună eficienţă a automobilelor dar şi pe modernizarea sistemelor de control de pe autovehiculele cu propulsie clasică, astfel încât acestea să satisfacă cele trei exigenţe majore impuse. Astăzi, sunt dezvoltate şi chiar produse şi vândute automobile ce sunt propulsate electric, cu hidrogen sau cu aer comprimat [6]. Pe de altă parte, numeroase tehnologii au fost dezvoltate şi utilizate la creşterea eficienţei energetice a autovehiculelor convenţionale: frâna regenerativă; tehnologia BMW Turbosteamer; motorul hibrid cu aer comprimat; sisteme de utilizare a căldurii disipate cu motoare cu abur, cu motoare stirling, cu diode termice; proiectarea de vehicule aerodinamice; instalarea dispozitivelor de prevenire a vortex-urilor. Pe lângă includerea în autovehicule a sistemelor performante ce le conferă acestora atribute conforme cu cerinţele actuale ale pieţei şi ale reglememtărilor legale, un avans substanţial îl înregistrează şi sistemele de dezvoltare. Astfel, utilizând tehnologia de simulare în timp real HiL Hardware-in-the-loop, sistemele electronice de control ale autovehiculelor pot fi rapid dezvoltate.

5 Rezumatul tezei de doctorat 4 Lucrarea de faţă se încadrează în contextul prefigurat, de acomodare a autovehiculelor cu motoare cu combustie internă la două din exigenţele majore ale epocii actuale: utilizarea eficientă a energiei şi protecţia mediului înconjurător. Se propune modernizarea subsistemelor de pornire (demaraj) şi de încărcare a bateriei şi management al energiei actuale precum şi implementarea unui subsistem nou, de preîncălzire a convertorului catalitic, prin implicarea unei componente cu utilizare în plină expansiune, supercondensatorul [40]. Subsistemul modernizat de management al demarajului ce utilizează supercondensatoare prezintă următoarele avantaje: permite folosirea bateriilor îmbătrânite, exploatate intensiv sau descărcate parţial inutilizabile pentru pornirea motoarelor cu combustie internă; măreşte durata de viaţă a bateriei de -3 ori (astfel numărul de baterii auto acid-plumb, se micşorează în aceeaşi măsură); permite utilizarea bateriilor cu capacitate mai mică (rezultând reducerea volumul cu circa 10-30% şi a greutăţii cu circa 5-40%, deci reducerea cantităţii de plumb şi acid sulfuric şi a masei totale a maşinii); îndeplinirea condiţiilor de mediu, deoarece supercondensatorul nu emite substanţe nocive nici pe durata funcţionării şi nici a stocării [9]; energia electrică cu care se încarcă supercondensatorul este energie recuperată la frânare şi la coborârea pantelor. Subsistemul de management al preîncălzirii convertorului catalitic are în structură un supercondensator care prin descărcare pe o rezistenţă realizează încălzirea rapidă a convertorului catalitic până la temperatura minimă de lucru. În absenţa preîncălzirii, în intervalul de timp de la pornire până la atingerea temperaturii optime de lucru a catalizatorului, se emite în atmosferă cea mai mare parte din cantitatea totală de noxe produsă de autovehicul. Introducerea sistemului centrat pe cele două supercondensatoare nu împietează asupra performanţelor dinamice ale vehiculului pe care este implementat, deoarece atunci când autovehiculul necesită putere maximă (la depăşiri cel mai adesea) sistemul deconectează supercondensatoarele şi bateria de la alternator degrevând astfel motorul de o sarcină inoportună. La finalizarea acestei lucrări, doresc să mulţumesc domnului prof.dr.ing.iuliu SZEKELY, conducătorul meu ştiinţific, care mi-a acordat un sprijin substanţial la elaborarea tezei de doctorat şi de sugestiile şi îndrumările căruia m-am bucurat pe toată perioada de derulare a lucrării. Mulţumesc de asemenea pentru sprijinul moral şi tehnic colectivelor implicate în proiectele COST Action 54 High Performance Energy Storage for Mobile and Stationary Applications - şi TRANS-SUPERCAP nr /007 PNII/P4 CNMP şi în special domnului prof.dr.ing.paul Nicolae BORZA care m-a îndrumat, m-a sprijinit cu o documentaţie consistentă şi cu supercondensatoare pentru efectuarea experimentelor. Mulţumesc de asemenea: domnilor prof.dr.ing.florin SANDU care mi-a acordat sprijin substantial în elaborarea tezei de doctorat, ing.adrian NOVAC de la INAR care a facilitat realizarea platformei dedicată experimentelor precum şi documentaţia din domeniul specific abordat în teză şi conf.dr.ing.adrian Virgil CRĂCIUN pentru documentaţia furnizată referitoare la magistrala CAN. Nu este mai puţin important sprijinul moral pe care l-am primit de la familia mea, soţia Manuela şi cei doi fii, Filip şi Cezar, pe parcursul perioadei de elaborare a tezei de doctorat, cărora le mulţumesc de asemenea şi pentru faptul că au suportat adesea lipsa mea de implicare deplină în problemele familiei în această perioadă.

6 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare 5 CAPITOLUL I. SISTEME DE CONTROL AUTO Un sistem de control auto are în structură un microcontroler, dispozitive de achiziţie a informaţiilor din proces (senzori) şi dispozitive de acţionare asupra procesului (actuatori). Microcontrolerul dispune şi de cel puţin o interfaţă de comunicaţie serială pentru comunicaţii în reţeaua specializată, Fig.1.1. La rândul lor, reţelele specializate pot fi conectate între ele prin intermediul unor bridge-uri pentru a întregi sistemul global de comandă al autovehiculelor. Din motive de simplitate Proces constructivă şi funcţională şi Informaţii cost redus, astăzi se folosesc Comunicaţii Senzori senzori şi actuatori cu Microcontroler electronică inteligentă înglobată [11], care pot să comunice pe magistrale şi să rezolve o multitudine de sarcini prin care degrevează microcontrolerul sistemului de sarcini mărunte (condiţionare semnale, etalonare, memorare parametri, etc.) Sistemele de control ale autovehiculelor Multitudinea de sisteme de control existente astăzi în autovehicule poate fi structurată pe categorii funcţionale: sistemul de tracţiune; sistemul şasiu şi siguranţa pasagerilor; sistemul corp al autovehiculului şi confortul ocupanţilor; sistemul de informare şi multimedia Sistemul de tracţiune al autovehiculelor Subsistemele de comandă ce compun sistemul de tracţiune al autovehiculului sunt dedicate pentru: managementul motorului (ECU/PCM/ECM); transmisie; încărcare a bateriei şi management al energiei; demaraj; control al elementului de preîncălzire la motoarele Diesel; frâna electrică pentru parcare; răcirea motorului; recircularea gazului eşapat; aprindere; admisia de amestec combustibil; schimbătorul automat de viteze electronic Sistemul şasiu şi siguranţa pasagerilor Subsistemele ce participă la funcţionarea elementelor de pe şasiu şi la siguranţa autovehiculului sunt dedicate pentru: suspensie activă; Subsistemul airbag; antiblocare frâne (ABS); asistare la viraje (ESC); detectarea tendinţei de răsturnare; tensionare a centurilor de siguranţă; monitorizare a poziţiei ocupanţilor autovehiculului; asistare la parcare Sistemul corp al autovehiculului şi confortul ocupanţilor Se compune din subsisteme pentru controlul: ambianţei; zonei portierelor; scaunelor; lămpilor; ştergătoarelor de parbriz; pompei de apă, poziţiei volanului; poziţiei pedalelor, protecţiei solare; degivrării parbrizului şi lunetei; sistemelor avansate de diagnosticare Sistemul de informare şi multimedia Comenzi Actuatori Fig.1.1. Schema bloc a unui sistem de comandă bazat pe microcontroler. Subsistemele componente ale acestui sistem sunt: radio analogic; radio digital; player pentru CD-uri şi DVD-uri; receptor digital de la satelit; bordul autovehiculului; alarma autoturismului; sistemul de navigaţie.

7 Rezumatul tezei de doctorat Senzori şi actuatori pentru autovehicule Primul senzor utilizat în autovehicule a fost senzorul de presiune din camera de admisie (MAP) în 1979, iniţial piezorezistiv necompensat, ulterior piezorezistiv compensat (1990), în tehnologie bipolară (1995) şi apoi în tehnologie CMOS microprelucrată în volum, cu memorie nevolatilă încorporată într-un DSP. În anii 90, se produceau în masă accelerometre pentru sistemele airbag, în varianta capacitivă, obţinute prin tehnologia MEMS de microprelucrare a suprafeţei [10]. MEMS-urile sunt dispozitive ce au în structură componente cu dimensiuni între microni şi la care datorită raportului foarte mare suprafaţă/ volum domină efectele electrostatice şi de umezire [13]. Acestea combină procesarea de semnal şi comunicaţia de date pe un singur chip de siliciu sau într-o singură capsulă şi contribuie esenţial la creşterea fiabilităţii, consumul eficient de carburant, reducerea noxelor gazelor eşapate şi creşterea siguranţei şi confortului autovehiculelor. Ele răspund cerinţelor aspre de sub capotă: temperaturi extreme, şocuri, vibraţii, umiditate, mediu coroziv, interferenţe electromagnetice şi de radiofrecvenţă; au de asemenea o perioadă de exploatare mare şi preţ mic (datorită standardizării proceselor şi a volumul mare al producţiei) având fineţea componentelor din domeniul militar şi preţul consumatorului obişnuit Reţele de comunicaţie în autovehicule Există şase clase de reţele de comunicaţie în autovehicule: Clasa A (comunicaţia cu destinaţie generală UART cu viteze de până la 10kbps); Clasa B (magistrală necritică cu viteze între 10kbps şi 15kbps); Clasa C (reţea cu număr redus de fire, cu viteze între 15kbps şi 1Mbps); Emisii/ Diagnosticare; Multimedia mobilă; X-by-wire (electronica adăugată pentru a îmbunătăţi şi înlocui sarcinile realizate în mod clasic prin sisteme mecanice şi hidraulice). Reţelele utilizate astăzi în autovehicule sunt: BTS (Bosh-Siemens-Temic), ByteFlight, CAN (Controller Area Network), DSI (Distributed Systems Interface), DB (Domestic Digital Data Bus), FlexRay [1], IDB-1394, IEBus (Inter Equipment Bus), Intellibus, K-Line, LIN (Local Interconnect Network), MI (Motorola Interconnect), MOST (Media Oriented System Transport), MML (Mobile Multimedia Link), OBD II (On Board Diagnostics II), PSI5 (Peripheral Sensor Interface), SAE J1708, SAE J Controller Area Network (CAN) CAN a fost conceput de firma Bosch în 1983, fiind oficial definit de SAE în Este un protocolul de transmisie orientat pe mesaj. Fiecare mesaj are, pe lângă conţinut, un identificator unic în întreaga reţea, prin care se defineşte prioritatea sa. CAN-ul este bazat pe mecanismul de comunicare prin difuzare largă (Broadcast Communication); orice staţie a reţelei poate să asculte mesajul staţiei transmiţătoare şi poate prelua mesajul funcţie setările din Filtrul de Acceptare (Acceptance Filtering) implementat. În serviciul clasic de comunicaţie, Write Object, un nod producător (producer) trimite cadre către unul sau mai multe noduri consumatoare (consumers), fără ca acest lucru să implice interesul anterior al vreunei staţii în aceste mesaje. În al doilea serviciu de comunicaţie, Read Object, un nod solicită un mesaj specific printr-un Remote Frame. Nodul care este proprietarul informaţiei va răspunde prin transmiterea mesajului Data Frame corespunzător. Mesajul de răspuns, poate fi recepţionat de asemenea şi de alţi consumatori interesaţi. Metoda de acces utilizată în CAN este non-distructivă cu arbitraj la nivel de bit. Când reţeaua este liberă, orice nod poate porni transmisia mesajului, chiar simultan cu alte noduri, evitându-se coliziunea prin metoda CSMA/ CA+AMP implementată. Prioritatea mesajului este dată de identificatorul mesajului. Deoarece fiecare nod citeşte de pe magistrală bit după bit întregul mesaj şi îl compară bitul transmis, biţii cu valoarea dominantă se suprascriu (în

8 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare 7 transceiver) peste aceia cu valoarea recesivă. Dacă valoarea citită este diferită de cea transmisă nodul pierde competiţia şi trece în regim de ascultare. Mesajul Data Frame este produs de un nod când acesta doreşte să transmită data sau când acesta este interogat de un alt nod. El are următoarea structură: Start of Frame (SOF), Arbitration field, Control field, Data Field, CRC Field, Acknowledge Field, End of Frame. Fiecare producător de reţele deţine propria sa bază de date cu definiţia cadrelor şi semnalelor care, în mod obişnuit, este confidenţială. Metoda de codare a biţilor în semnale este NRZ. Cum sincronizarea este asigurată de tranziţii, iar la un număr mare de biţi succesivi cu aceeaşi valoare sincronizarea se poate pierde, se utilizează regula bit-stuffing ce introduce un bit complementar la fiecare 5 biţi de acelaşi valoare. Temporizarea biţilor (Bit timing) în CAN presupune împărţirea duratei bitului în 4 segmente ce conţin un număr de cuante de timp (câte două impulsuri de tact) astfel: SYNC_SEG (o cuantă; utilizat pentru sincronizarea nodurilor reţelei); PROP_SEG (1 8 cuante; utilizat pentru compensarea întârzierilor semnalului de-a lungul magistralei); PHASE_SEG1 (1 8 cuante; utilizat la compensarea erorilor de fază ale fronturilor; poate fi lungit pe durata resincronizărilor); PHASE_SEG (lungimea maximă a segmentului anterior şi a timpului de procesare a informaţiei; utilizat pentru compensarea erorilor de fază ale fronturilor, putând fi scurtat pe durata resincronizării). Prin programarea momentului eşantionării (Sample Point) se poate optimiza temporizarea biţilor: o eşantionare întârziată permite maximizarea lungimii magistralei; o eşantionare timpurie permite realizarea de fronturi scurte ale impulsurilor. Controlul motorului (ECM) Controlul suspensiei Controlul tracţiunii Controlul cutiei de viteze ABS CAN de mare viteză CAN tolerant la defecte Sistemul de control central (Poartă CAN) Controlul luminilor din faţă Instrumente de bord Controlul uşilor CAN pe un singur fir Controlul luminilor din spate Controlul scaunelor Controlul oglinzilor Fig.1.. Utilizarea reţelelor CAN într-un autovehicul. Standarde pentru reţelele CAN din autovehicule CAN de mare viteză, ISO cu caracteristicile: viteză maximă 1 Mbps; lungime magistrală 40m; transmisia diferenţială pe două fire; necesită utilizarea a doi terminatori; CAN tolerant la defecte, ISO Caracteristici: se foloseşte pe distanţe scurte; nu necesită terminatori; consum mic al driverelor; poate face transmisie asimetrică pe un fir dacă unul din cele două fire se întrerupe accidental; viteza maximă 15kbps; lungimea magistralei depinde de viteza de transmisie şi de numărul de noduri; număr maxim de noduri 3; SAE J411, CAN pe un singur fir. Caracteristici: viteaza 33,3kbps (83,3kbps în modul viteză mare la diagnoză); număr de noduri 3; transmisia de date se face chiar pe firul de alimentare.

9 Rezumatul tezei de doctorat 8 ISO 1199 point to point, înlănţuire punct la punct. Caracteristici: tolerant la defecte; viteză maximă 15kbps; lungime maximă 40m; tensiune de alimentare 1/ 4V; mediu de transmisie UTP; Într-un autovehicul pot coexista mai multe tipuri de reţele CAN, interconectate prin intermediul porţilor Fig Local Interconnected Network (LIN) Protocolul LIN, reglementat prin standardul SAE J60, este proiectat ca o reţea ieftină, de scurtă distanţă şi viteză mică. Are o arhitectură cu un singur Master şi mai mulţi Slave, destinată conectării senzorilor şi actuatorilor din unele aplicaţii auto. Nodul Master conectează reţeaua LIN cu reţelele de nivel înalt, ca de exemplu CAN. Fig.1.3. Configuraţia tipică a reţelei LIN. Poate înlocui cu succes reţelele CAN tolerant la defecte şi CAN pe un singur fir. Caracteristici: microcontrolerele utilizate sunt pilotate de oscilatoare RC foarte ieftine; rata de transfer este de până la 0Kbaud; lungimea reţelei este de până la 40m; protocolul este o combinaţie între I C şi RS3 şi include autocontrolul vitezei de transmisie; poate lucra în modul SLEEP pentru evitarea descărcării bateriei. Magistrala constă într-un singur fir (Fig.1.3.), conectat în driverele open-colector, la alimentare, prin rezistoare. Starea dominantă este semnalată prin comanda tranzistorului oricărui nod, care pune la masă colectorul (implicit magistrala), iar starea recesivă se stabileşte prin rezistoare la valoarea V BAT =9 18V, atunci când niciun tranzistor nu este comandat. Magistrala poate suporta şi tensiune de 40V, microcontrolerul fiind izolat de magistrală printr-un transceiver ce permite ca microprocesorul să opereze la 5V. Protocolul la nivel de bit presupune că fiecare byte transmis este încadrat de un bit de start şi unul de stop (similar transmisiei asincrone RS 3). În cadrul fiecărui byte, biţii se transmit în ordinea LSB - MSB. Bitul de start are valoarea 0, iar bitul de stop 1. În cadrul protocolului la nivel de mesaj, masterul interoghează nodurile Slave pentru partajarea datelor lor cu restul reţelei. Nodurile Slave transmit date numai comandate de Masterul ce permite comunicaţia bidirecţională fără un mecanism avansat de arbitraj. Transferul mesajului începe cu câmpul Synch Break prin care Master-ul informează Slave-urile că începe transmisia unui mesaj. Urmează câmpul Synch Field ce este destinat sincronizării ceasurilor nodurilor Master şi Slave între care poate exista o derivă mai mare de 15%. Slave-urile determină rata de transfer a Master-ului şi-şi ajustează frecvenţa de ceas proprie. ID Field este câmpul care dă informaţii despre lungimea în byte a câmpului de date pe care-l solicită şi adresa nodului de la care aşteaptă răspuns. După interogarea de către Master a unui Slave, acesta depune datele pe magistrală ele ajungând la toate nodurile, deci şi la nodul destinaţie. Master-ul poate trece toate nodurile în modul economic Sleep prin trimiterea codului 80h. În acest mod nodurile au consum foarte redus de energie. Orice nod poate trezi reţeaua prin trimiterea caracterului 80h. Printre utilizările reţelei LIN se numără: subsistemele din plafon (senzorul de ploaie, senzorul de lumină, controlul luminilor, controlul decapotării, etc.), subsistemele din portiere (controlul oglinzilor, controlul geamurilor, blocarea uşilor, etc.), subsistemul de climat (senzori de temperatură şi umiditate, control servomotoare), subsistemele de pe volan (control traseu, ştergătoare de parbriz, semnalizatoare, şi opţional controlul climatului, radioului, telefonului,

10 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare 9 etc.), subsistemul scaune (senzorul ocupanţilor, panoul de control, controlul poziţiei ocupanţilor), subsistemul motor (senzori şi servomotoare) Microcontrolere utilizate în sistemele de control ale autovehiculelor Factorii care determină specificul microcontrolerelor utilizate în sistemele de control ale autovehiculelor Comunicaţiile Datorită numărului mare de sisteme şi subsisteme de comunicaţie interconectate, microcontrolerele pentru autovehicule au o zonă destinată capabilităţilor de comunicaţie mai mare decât cea dedicată CPU []. Aceste interfeţe de comunicaţie sunt autonome, astfel încât CPU se eliberează în bună măsură de managementul comunicaţiei. Algoritmii de conducere Algoritmii sistemelor de conducere auto trebuie să manipuleze intrările de la mai mulţi senzori şi de la mai multe sisteme de comunicaţii, să execute în timp real cicluri de control şi să controleze ieşirile către mai mulţi actuatori. Complexitatea algoritmilor a condus de asemenea la implementarea de sisteme de operare adecvate, cum ar fi sistemul de operare combinat cu sistemul de management al reţelei OSEK/VDX ce facilitează reutilizarea şi portabilitatea software-ului precum şi predictibilitatea comportării sistemului. Senzori şi actuatori inteligenţi Datorită creşterii numărul de senzori şi actuatori, probleme cum ar fi: manipularea întreruperilor intrărilor sau eşantionarea ieşirilor, furnizate de interfeţe diferite pentru fiecare senzor/ actuator; procesarea/ partajarea informaţiei (uzual analogică) ce se schimbă între CPU şi fiecare senzor/ actuator, au putut fi rezolvate prin implementarea senzorilor şi actuatorilor inteligenţi care includ în acelaşi cip un CPU (MEMS) ce poate fi conectat cu ECU prin intermediul magistralei. Siguranţa în funcţionare Sistemele de pe autoturisme trebuie să prezinte o funcţionare sigură la defecte (de exemplu ECU-ul ABS-ului comută pe sistemul clasic la apariţia unui defect electric) sau să fie tolerante la defecţiuni (care recunoaşte producerea unui defect electric, dar continuă să opereze sigur). CPU poate valida componentele sistemului, sănătatea sa fiind verificată şi validată de un al doilea CPU, redundant, ce poate fi implementat printr-un al doilea µc de sine stătător sau de un detector de eroare al CPU cu comparator logic pe acelaşi µc. Performanţă şi preţ de cost Utilizarea CPU RISC ce execută o instrucţiune într-un singur ciclu de tact, duce la dimensiuni mici ale cipului şi viteză mare de procesare. Procesoarele RISC de astăzi pot executa instrucţiuni complexe ca MUL şi DIV (dar în câteva cicluri), prezintă foarte înaltă putere de calcul, capabilităţi de manipulare rapidă a întreruperilor, şi cod dens, eficient. Memoriile Dimensiunile ROM-ului continuă să crescă pentru a putea găzdui programele ce implementează algoritmii complecşi, lăsând CPU-ului din µc să ocupe o porţiune din ce în ce mai mică. Tipic raportul de 3:1 între ROM şi RAM este considerat potrivit în microcontrolerele moderne. În sistemele critice ce necesită mai multă siguranţă, se verifică integritatea conţinutului memoriei. Cea mai întâlnită tehnică este de verificare a parităţii pentru întreaga matrice de memorie. Alte scheme utilizează registrul de deplasare cu reacţie liniară (Linear Feedback Shift Register) pentru a realiza analiza de semnătură pe blocuri de memorie. Soluţii mecatronice Mecatronica, care vede sistemul ca un tot unitar şi nu ca o colecţie de părţi componente (electrice, electronice, mecanice) interfaţate, are soluţii potrivite pentru împachetarea

11 Rezumatul tezei de doctorat 10 microcontrolerelor. Ea integrează componente individuale de naturi diferite într-un tot unitar încă în faza de proiectare, obţinându-se sisteme robuste cu număr redus de conexiuni. Perturbaţiile Pentru îmbunătăţirea EMC (impusă de creşterea numărul de procesoare şi de viteza lor de operare), la nivelul proiectării circuitelor integrate se iau în consideraţie: folosirea a cât mai puţine generatoare de tact şi oprirea acestora când nu sunt utilizate, reducerea puterii buferului de ieşire, folosirea surselor multiple şi a mai multor pini de masă precum şi reducerea impedanţei traseelor acestor pini, eliminarea circuitelor de schimbare de sarcină integrate şi poziţionarea semnalelor de înaltă frecvenţă în apropierea traseului de masă. Consumul de energie Ţinând cont de numărul mare de sisteme care trebuie să funcţioneze, unele chiar atunci când motorul este oprit (putând descărca rapid bateria), MCU-urile sunt optimizate din punct de vedere al consumului de energie. Astfel, când cipul este inactiv, se opreşte generatorul de tact. Pe de altă parte, ECU-ul airbag-ului funcţionează şi în eventualitatea unui accident care întrerupe alimentarea de la baterie, prin comutarea pe un condensator de valoare mare (sau supercondensator), ce poate asigura şi umflarea airbag-urilor. Integrarea funcţiilor În microcontrolerele destinate aplicaţiilor auto diverse funcţii (de putere, analogice, numerice, de procesare, de memorare, de comunicaţie, de protecţie, etc.) sunt integrate într-un cip sistem ce include diferite tipuri de tehnologii, implementate în aceeaşi pastilă de siliciu Tipuri de microcontrolere destinate aplicaţiilor auto În aplicaţiile auto se utilizează deopotrivă microcontrolere pe 8, 16 şi 3 biţi. Aplicaţiile tipice în care se utilizează microcontrolere pe 8 biţi sunt: controlul ventilaţiei, controlul climatului, comanda ştergătoarelor, comanda protecţiei solare, acţionarea geamurilor, senzorul de ploaie, funcţiile necritice de pe bord, controlul scaunelor, controlul modulelor din zona uşilor. Microcontrolerele pe 16 biţi sunt ideale pentru controlul motorului, cu soluţii pentru ambele tipuri de motoare (pe benzină şi pe motorină) şi pentru controlul direct al injecţiei. Aceste microcontrolere combină înaltele performanţe ale CPU cu înalta funcţionalitate a perifericelor şi cu capabilităţile de intrare/ ieşire îmbunătăţite. Microcontrolerele pe 3 biţi pot fi utilizate la sistemului de tracţiune şi în aplicaţiile ITS (Intelligent Transportation System).

12 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare 11 CAPITOLUL II. SUBSISTEMUL DE ÎNCĂRCARE A BATERIEI ŞI DE MANAGEMENT AL ENERGIEI Acest subsistem este parte a sistemului de control al tracţiunii autovehiculelor şi este destinat producerii de energie electrică pentru încărcarea bateriei şi alimentarea sistemului electric al autovehiculului. Subsistemul nu are în nucleu un microcontroler, dar este cuplat cu ECU care monitorizează tensiunea de excitaţie Fig..1. Componentele cheie ale subsistemului convenţional sunt: alternatorul, regulatorul de tensiune şi acumulatorul electric (bateria). Comutator pornire Înfăşurare statorică Redresor Lampă semnalizare pornire Înfăşurare rotorică Regulator de tensiune Figura.1. Schema bloc a sistemului de încărcare a bateriei şi de management al energiei. Vc Spre ECM.1. Alternatorul Alternatorul este un generator sincron, trifazat de curent alternativ, cuplat la axul motorului, utilizat la încărcarea bateriei şi la alimentarea sistemul electric pe perioada funcţionării motorului. Se roteşte cu o viteză de -3 mai mare decât a motorului, astfel încât furnizează tensiune şi când motorul funcţionează la relanti. Redresarea tensiunii furnizate de alternator se face cu o punte trifazată bialternanţă cu 6 diode redresoare, Fig..1. Randamentul alternatorului este de 50-6% funcţie de dimensiunea sa şi depinde de turaţie fiind limitat de pierderile în ventilator, rulmenţi, miezul feromagnetic, conductoarele de cupru ale înfăşurărilor şi căderilor de tensiune pe diodele redresoare. De asemenea valoarea curentului debitat de alternator depinde de turaţie. În construcţie clasică, alternatoarele pot livra un curent de maxim 3A, dar astăzi sunt alternatoare (pentru autovehicule de pasageri sau camioane) ce pot produce 50-70A. Foarte multe alternatoare pot avea sisteme de răcire cu apă sau ulei... Regulatorul de tensiune Regulatorul de tensiune (de exemplu L9407F din Fig..1.) montat în interiorul carcasei alternatorului împreună cu diodele redresoare, modulează curentul de excitaţie pentru a menţine constantă tensiunea livrată de alternator. Pe lângă bornele de alimentare A+ şi GND el dispune de terminale pentru sesizarea comenzii de pornire D+, comanda înfăşurării de excitaţie DF, monitorizare a tensiunii de excitaţie DFM şi detecţie a fazei PH. Multe regulatoare de tensiune actuale sunt conectate la computerul de bord şi astfel factori cum ar fi temperatura aerului şi sarcina motorului sunt luate în considerare la ajustarea tensiunii de ieşire, implicit a tensiunii de încărcare a bateriei..3. Bateria Bateria (acumulatorul electric) constituie o soluţie practică şi eficientă de stocare a energiei electrice ce este transformată în energie chimică în cursul încărcării acumulatorului. La

13 Rezumatul tezei de doctorat 1 descărcare, prin alimentarea consumatorilor, în regim intermitent sau continuu, energia chimică este convertită în energie electrică [16], [17]. Pentru demarajul automobilelor, se folosesc aproape în exclusivitate acumulatoare acide cu electrozi de plumb, care la un cost scăzut, asigură o densitate de energie rezonabilă..3.1.construcţia şi funcţionarea acumulatorului electric acid-plumb Un element acumulator constă dintr-o cuvă cu soluţie apoasă de acid sulfuric în care sunt imersaţi doi electrozi tip placă (catod şi anod). Între electrozi se interpun membrane microporoase, care permit transferul de ioni, dar împiedică scurtcircuitul. Prin încărcare, sulfatul de plumb din plăcile pozitive se transformă în acid sulfuric şi bioxid de plumb, iar la plăcile negative în plumb şi acid sulfuric. Pe măsură ce se încarcă acumulatorul, tensiunea la borne creşte până la cca,1-,15v/ element. Pentru încărcări prelungite, tensiunea pe element depăşeşte,35v şi se iniţiază un proces secundar de electroliză ce conduce la pierderea de apă; astfel creşte concentraţia acidului, ce duce la scăderea duratei de viaţă şi a performanţelor bateriei. În procesul de descărcare, atât plăcile catod cât şi cele anod se sulfatează progresiv, parţial sau total, în funcţie de profunzimea descărcării. Sulfatul de plumb format acoperă superficial sau profund electrozii, iar apa formată măreşte diluţia electrolitului şi face să crească rezistenţa internă şi să scadă tensiunea la borne până la valoarea de oprire care este cu atât mai redusă cu cât curentul de descărcare este mai mare..3.. Parametrii de bază ai acumulatoarelor electrice Tensiunea electrică, depinde de gradul de descărcare al bateriei, de regimul de descărcare şi de temperatură. La demaraj este importantă dependenţa tensiunii de regimurile de descărcare severe, specifice regimului de lucru în scurtcircuit al demarorului, Fig... [17]. Capacitatea electrică (Ah), reprezintă cantitatea de electricitate pe care o poate debita un element complet încărcat în regim de descărcare de 0h până la tensiunea nominală de 1,75V, la temperatura de 5ºC. Capacitatea disponibilă este capacitatea debitată de un element în regimuri mai severe de descărcare; depinde de temperatură şi de regimul de descărcare. Rezistenţa internă, are valori mici, de ordinul mω şi depinde de construcţie, regimul funcţional, starea de încărcare şi temperatură. Randamentul funcţional, este raportul dintre cantitatea de electricitate disponibilă în starea încărcat şi cantitatea de electricitate consumată pentru încărcare (80-90%). Randametul energetic, este raportul dintre energia disponibilă a unui acumulator în starea încărcat, în regim nominal de descărcare şi energia consumată la încărcare (65-75%). Conservarea capacităţii, este dependentă de temperatură fiind de 6% la 10ºC şi 40% la 5ºC la acumulatoarele de demaraj actuale. Durata de viaţă, este de aproximativ -6 ani funcţie de intensitatea solicitărilor şi de modul de întreţinere şi exploatare. U elem, V 1,8 1,6 1,4 1, 1 600A 550A 415A 340A 305A 10A 0, Timp de descărcare, min Fig... Curbele de descărcare a bateriei la curenţi mari, la -17,8ºC.

14 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare Supercondensatorul, alternativă a bateriei. Supercondensatoarele sunt astăzi, în unele aplicaţii, inclusiv în aplicaţii auto, alternativa la utilizarea bateriilor pentru stocarea energiei [1], [6]. Sunt utilizate astăzi supercondensatoare la: pornirea motoarelor cu combustie internă; stocarea energiei recuperate la frânare şi coborârea pantelor şi utilizarea ei la accelerare în automobilele electrice sau hibride [1]; alimentarea airbag-urilor laterale ca sursă de energie independentă de sursa centrală; sursele de alimentare ale sistemelor multimedia [19] Construcţia şi parametrii supercondensatoarelor Supercondensatorul (ultracapacitorul) este un condensator electrochimic care prezintă o densitate de energie mult mai mare (de câteva mii de ori) decât condensatoarele electrolitice de cea mai mare capacitate. În principiu, un supercondensator electric constă într-o structură cu strat dublu cu suprafaţă foarte mare şi distanţă de separaţie foarte mică (de ordinul nanometrilor), ambii parametri contribuind la obţinerea capacităţii foarte mari. Totuşi, tensiunea dintre cele două straturi este mică şi de aceea pentru realizarea unor supercapacitoare care să lucreze la tensiuni mai mari este necesară înserierea mai multor celule [3]. Rezistenţa internă a supercondensatorului este foarte mică, motiv pentru care, încărcarea şi descărcarea acestuia se face foarte rapid. Descărcarea rapidă a unei cantităţi relativ mari de energie înseamnă de fapt putere mare pentru un timp scurt. În modelul supercondensatorului (Fig..3.) Rc este rezistenţa serie (mω - zeci de mω, inductanţa serie Lc (ce depinde de construcţie) poate fi ignorată la operare la joasă frecvenţă ca şi rezistenţa de pierderi Rp la funcţionări de scurtă durată. La supercondensatoarele actuale, curentul de scurgere pentru o capacitate de peste 500F este mai mic de 10mA iar curentul de încărcare/ descărcare de sute de amperi..4.. Încărcarea supercondensatoarelor Dacă descărcarea rapidă a supercondensatoarelor este benefică în aplicaţiile unde se cere putere mare pe durată mică totuşi, o provocare a supercondensatoarelor o reprezintă încărcarea acestora, mai ales atunci când sunt complet descărcate (când se prezintă practic ca un scurtcircuit). Încărcarea cu circuite liniare a supercondensatoarelor se face cu randament foarte scăzut de cca 49%. Aternativa la sistemul de încărcare cu circuite liniare a supercondensatorului este SMPS. Sisteme de încărcare tip buck converter La aceste sisteme, tensiunea finală pe supercondensator este mai mică decât cea de la intrare dar poate ajunge până în imediata apropiere a tensiunii de intrare. În circuitul de încărcare din Fig..4. [8], curentul prin bobină, măsurat cu un senzor de curent, este comparat cu două niveluri prestabilite, unul de minim şi altul de maxim. Depăşirea pragului maxim al comparatorului corespunzător va comuta bistabilului RS în starea 0 care deschide comutatorul static. Scăderea curentului prin bobină sub valoarea minimă a comparatorului corespunzător va comuta bistabilul în starea 1 care închide comutatorul static. Tensiunea finală pe supercapacitor este stabilită de tensiunea de referinţă de la intrarea celui deal treilea comparator. Rc Lc Rp Fig..3. Modelul circuitului de ordinul I al supercondensatorului. C

15 Rezumatul tezei de doctorat 14 Încărcător pentru supercondensatoare realizat cu controlerul sincron de mare eficienţă buck-boost cu 4 comutatoare LTC3780 Circuitul LTC3780 controler de curent poate lucra în modurile buck, buck-boost sau boost; acceptă la intrare tensiuni în domeniul 4-36V iar domeniul tensiunilor de ieşire este 0,8-30V. Circuitul (Fig..5.) utilizează un rezistor R SENSE ca traductor de curent. Curentul prin bobina L este controlat prin tensiunea pe pinul I TH. Pe pinul V OSENSE se aplică semnalul de tensiune de reacţie cules de pe divizorul rezistiv R 1 -R, tensiunea la ieşire fiind dată de V = 0,8V 1+ R. formula ( ) OUT /R1 INTV CC este tensiunea internă stabilizată de 6V pentru alimentarea etajelor pilot ale tranzistoarelor MOSFET şi circuitele interne de comandă. Funcţionarea circuitului este invalidată prin aducerea pinului RUN la Figura.4. Schema de principiu a circuitului cu buclă de reacţie pentru încărcarea supercondensatoarelor. nivel scăzut. Atunci când pinul RUN se află la o tensiune mai mare de 1,5V dar mai mică decât INTV CC, condensatorul extern C SS se încarcă lent de la 0 la,4v ce previne curenţii abrupţi absorbiţi de la sursă. Fig..5. Configuraţia tipică a circuitului regulator de tensiune realizat cu circuitul integrat LTC3780. Când tensiunea pe pinul FCB este sub VINTV CC -1V, dar mai mare decât 0,8V, controlerul intră în modul de operare Burst în funcţionarea boost.. Modul Burst stabileşte nivelul minim al curentului de ieşire înainte de a inhiba comutatorul C şi deschide comutatorul sincron D atunci când curentul prin diodă devine negativ. Această combinaţie de cerinţe, la curent mic, va forţa tensiunea pe pinul I TH sub pragul de tensiune care temporar va inhiba închiderea

16 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare 15 comutatoarelor C şi D până când tensiunea la ieşire scade. Un histerezis de 100ms produce semnale de ieşire la MOSFET-urile C şi D pe care le deschide pentru câteva cicluri, urmate apoi de un interval variabil sleep dependent de curentul de sarcină. Valoarea maximă a ondulaţiei de tensiune la ieşire este limitată la 3% din tensiunea continuă de la ieşire, ce este determinată de divizorul rezistiv de pe reacţie. Circuit pentru încărcarea supercondensatoarelor realizat cu circuitul încărcător pentru condensatoare / regulator de tensiune înaltă, LT3751 Circuitul LT3751, Fig..6., este utilizat în modul Încărcător prin aplicarea unei tensiuni pe terminalul FB cuprinse în intervalul 0-1,16V. V OUT R SENSE Figura.6. Montajul tipic al încărcătorului de condensatoare realizat cu circuitul LT3751. Curentul absorbit de la sursă este monitorizat prin măsurarea căderii de tensiune pe R SENSE la pinii CSP şi CSN. Funcţionarea prezintă 4 faze: Faza iniţială: Pornirea; este iniţiată după µs după ce terminalul CHARGE este pus pe 1. Bistabilul master intern trece în starea 1 deschizând tranzistorul NMOS extern ce permite începerea primului ciclu. Bistabilul rămâne în starea 1 până când tensiunea de ieşire atinge valoarea prescrisă sau până când se întâlneşte o condiţie de eroare. Faza 1: Prima parte a încărcării; la bornele primarului transformatorului se stabileşte tensiunea V TRANS -V DS(ON). Curentul prin primarul transformatorului va fi liniar crescător cu panta (V TRANS -V DS(ON) )/L PRI. Tensiunea din primar este oglindită în secundar -N (V TRANS - V DS(ON) ) şi polarizează invers dioda prevenind circulaţia curentului prin înfăşurarea secundară. În acest fel energia este conservată în miezul magnetic. Faza : Transferul secundar al energie; la atingerea valorii limită a curentului (106mV/R SENSE ), tranzistorul NMOS se blochează. Energia magnetică stocată în miezul transformatorului este transformată în energie electrică în secundar. Tensiunea din secundar polarizează direct dioda prin care trece curentul de încărcare. La atingerea valorii prescrise la ieşire, tranzistorul pilot NMOS se deblochează şi se trece în faza următoare. Faza 3: Modul de detecţie discontinuu; în faza, în primar apare tensiunea (V OUT +V DIODE )/N iar după eliberarea energiei transformatorului, tensiunea din secundar se stabilizează; ca urmare tensiunea la bornele primarului se anulează, iar potenţialul din drena tranzistorului pilot scade la valoarea V TRANS. La atingerea valorii V TRANS +0µA R DCM bistabilul ce comandă tranzistorul pilot extern NMOS este setat, reintrându-se în faza a 1-a.

17 Rezumatul tezei de doctorat 16 CAPITOLUL III. SUBSISTEMUL DE PORNIRE A MOTORULUI CU COMBUSTIE INTERNĂ Subsistemul de pornire al motorului cu combustie internă face parte din sistemul de tracţiune al autovehiculului. Componentele acestui sistem (Fig.3.1.) sunt: M - motorul de curent continuu; B - bateria; K Start comutatorul de pornire; RC releu de cuplare. M şi RC sunt inseparabile formând împreună demarorul (car starter). La închiderea contactului K Start, bobina RC este K Start alimentată de la baterie iar contactul său se închide şi permite alimentarea demarorului cu un curent de circa A. La atingerea turaţiei de automenţinere, curentul RC absorbit scade la valori de ordinul zecilor de amperi, iar demarorul este deconectat de la baterie prin deschiderea contactului RC cu ajutorul unui mecanism inerţial. B M RC 3.1. Demarorul Demarorul este un motor de curent continuu cu excitaţie serie, care iniţiază rotirea motorului cu ardere internă până la turaţia de la care acesta îşi poate întreţine funcţionarea. Este dimensionat pentru un curent mare (sute de amperi) deci cuplu mare, pe durată mică (secunde). Alimentarea demarorului la sistemele convenţionale se face de la bateria automobilului, a cărei durată de viaţă este afecată datorită numărului şi profunzimii descărcărilor [0]. Funcţionarea demarorului este relevată de caracteristicile [37], [38]: tensiunii U borne (I abs ) - A; turaţiei n(i abs ) - B; puterii utile P u (I abs ) - C; cuplului M(I abs ) D (Fig.3..). Regimurile de funcţionare ale demarorului sunt: a) Scurtcircuit, caracterizat de valorile n=0, I abs =I sc, M=M max, P u =0; b) Sarcină, când motorul începe să se rotească, cuplul rezistent scade, se dezvoltă putere care este maximă, pentru curentul absorbit I abs =I sc /; c) Mers în gol, când motorul a pornit, cuplul activ şi puterea utilă a demarorului se anulează, curentul I gol fiind consumat doar pentru compensarea pierderilor demarorului. Valorile parametrilor I sc, I gol, U sc, U gol diferă funcţie de: puterea motorului şi a demarorului, starea de întreţinere şi uzura sistemului mecanic şi electric, temperatură, starea de descărcare a bateriei. Comportarea demarorului din punct de vedere electric, este definită de caracteristica A (Fig.3..) şi de durata procesului de pornire [30]. Rezistenţa echivalentă a demarorului pe durata procesului de pornire poate fi pus în relaţie cu curentul absorbit şi are valoarea dată de formula ( U R I ) I Rd ( I) = b b / (3.1) unde U b este tensiunea bateriei în gol şi R b rezistenţa internă a bateriei. 3.. Pornirea autovehiculului cu demarorul alimentat de la baterie Simularea pornirii automobilului cu ajutorul bateriei Fig.3.1. Schema de principiu a sistemului de pornirea a motorului cu combustie internă. Modelul bateriei În lucrarea s-a implementat modelul matematic al bateriei elaborat de Universitatea din Massachusetts [18] care cuprinde: Modelul capacităţii este descris de ecuaţia U gol U sc I gol A I sc / B C D I sc Fig.3.. Caracteristicile funcţionale ale demarorului. I abs

18 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare 17 Q max (I)=q max,0 k c T/(1-e -kt +c(k T-1+e -kt )) [Ah] în care q max,0 = 86,1031 Ah este capacitatea maximă, la un curent infinitezimal; k=0,5874 h -1 rată de încărcare/ descărcare; c = 0,3747 raportul capacităţii disponibile totale, T timpul de descărcare. Dependenţa capacităţii bateriei de temperatură este definită de ecuaţia Q tº =Q 5º /(1+0,008(5º-tº)) [Ah], în care Q 5 este capacitatea la 5 C, Q t - capacitatea la temperatura t. Modelul tensiunii bateriei la încărcare/descărcare este descris de ecuaţia E=E 0 +A X+C X/(D-X) în care E 0 = 1,3097V/1,5978V - tensiunea bateriei complet încărcată; A = 0,8616V/-0,7077V - parametru care reflectă variaţia liniară iniţială a tensiunii interne a bateriei; C = 0,1798V/ - 0,083V - parametru ce reflectă creşterea/descreşterea tensiunii bateriei progresiv încărcată/descărcată; D = 1,060/ 1, parametru ce reflectă creşterea/descreşterea tensiunii bateriei progresiv încărcată/descărcată; X - capacitatea normalizată la curentul dat, la încărcare descrisă în termeni de sacină existentă de ecuaţia X=q/q max (I), iar la descărcare, în termeni de sarcină consumată de ecuaţia X= (q max (I)-q)/q max (I). Modelul demarorului S-a luat în considerare, la comportarea demarorului la pornire, ecuaţia (3.1) şi valorile parametrilor de intrare I sc, I gol şi t d (durata demaraj) rezultând modelul dat de ecuaţia R = U t / I t I I t R. (3.) d b d ( sc d ( sc gol ) ) b Fig.3.3. Programul în LabView pentru simularea pornirii cu demaror alimentat de la baterie, a motorului cu combustie internă. Modelarea demarajului pe baterie Comportarea sistemului baterie demaror cuplat la arborele motorului cu combustie internă a fost simulată pe modelul implementat în LabView (Fig.3.3.) [30]. Energia consumată de demaror depinde de factori intrinseci (tipul motorului, tipul demarorului) şi extrinseci (uzura sistemului mecanic şi electric, calitatea întreţinerii motorului şi a uleiului, temperatura). Pentru un ansamblu motor-demaror bine cunoscut, variabila ce determină energia necesară pornirii şi durata procesului de pornire, este temperatura. Cu modelul sistemului de demaraj pe baterie implementat în LabView, s-au simulat porniri la temperaturi din domeniul C pentru câteva valori ale energiei utile şi U b =1,6V, R b =10mΩ, I sc =50A, I gol =40A,

19 Rezumatul tezei de doctorat 18 t d =1s [41]. Rezultatele obţinute prin simulare au fost confirmate de cele obţinute ulterior în condiţii reale Experimente în condiţii reale Pentru realizarea experimentelor de pornire a motorului cu combustie internă, am conceput un sistem de achiziţie şi comandă portabil, flexibil, uşor de instalat şi utilizat (Fig.3.4.) [3], [33]. Modulul de condiţionare şi execuţie, Fig.3.5., transformă tensiunea bateriei V B + (0-15V) în mărimea analogică de intrare AI.V B (0-10V), curentul de sarcină I St =I B (0-300A) în mărimea analogică de intrare AI.I B (0-10V), tensiunea de pe comutatorul de pornire a autovehiculului VK St (0-15V) în mărime de intrarea digitală DI.K St şi comandă alimentarea demarorului printr-un comutator static. În schema electronică a modulului de condiţionare şi execuţie (Fig.3.6.), tensiunile pe baterie şi pe supercondensator V B + respectiv V SC + se divizează pe grupul R7-R9, respectiv R8-R16. pentru a se obţine semnalele de tensiune AI.V b respectiv AI.V sc. Curenţii furnizaţi de baterie şi supercondensator I b respectiv I sc, sunt oglindiţi de tensiunile AI.VI b respectiv AI.VI sc (0-10V) de pe rezistenţele R5-R6 respectiv R-R3. Comutatoarele statice K b1 şi K b respectiv K sc1 şi K sc, sunt conectate în paralel pentru a extinde capabilitatea în curent la 330A. Tensiunea VKst (0-1V) comandă tranzistorului Q5 ce livrează prin colector 5V-0V. Tranzistoarele Q1-Q3 respectiv Q-Q4 (BTS555 din clasa PROFET) îndeplinesc rolul comutatoarelor de forţă K sc1 -K sc respectiv K b1 -K b. Ele sunt comandate de semnalele DO.VK sc respectiv DO.VK b. Tranzistorul BTS555, este un comutator static de curent mare (165A), bidirecţional cu: tensiunea de operare 5-34V; rezistenţa în conducţie (în ambele sensuri),5mω; limitarea curentul de scurtcircuit la 50A; traductor de curent încorporat şi protecţie la supratensiune, suprasarcină, supratemperatură, alimentare inversă, ESD. Modulul de achiziţie NI USB6009 utilizat, are caracteristicile: 8 intrări analogice (14 biţi, 48kS/s); ieşiri analogice (1 biţi); 1 intrări/ ieşiri digitale (TTL/CMOS);1 temporizator (3 Fig.3.5. Modulul de condiţionare şi execuţie. biţi la 5MHz); impedanţa de intrare a intrărilor analogice de 144kΩ; conectare la PC prin portul USB. Pe PC/laptop rulează în LabView programul SoB (Start on Battery) pentru monitorizarea demarajului pe baterie ce conţine 3 module concurente: unul pentru achiziţia digitală destinat monitorizării intrării K start, unul pentru achiziţia analogică destinat monitorizării mărimilor V B şi I B şi altul pentru comanda digitală a comutatorului static K b1,. Modulele sunt interconectate prin variabilele Kstart şi Stop. K b J 3 K Start B LabView (SoB) Laptop Laptop USB Modul de achiziţie NI USB6009 AI.I B AI.V B DI.K St DO.K B V B+ Modul de condiţionare şi execuţie I B V St+ I St VK St RC M Fig.3.4. Schema sistemului de achiziţie şi comandă pentru pornirea motorului cu bateria. St K b1 K sc K sc1 J RC

20 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare 19 J DSUB9F La USB 6009 AI.VIsc DO.Kb AI.Vsc 1k R7 1k AI.Vb R8 AI.VIb R9 4.7kΩ DI.VKst R16 4.7kΩ LED1 LED DO.VKsc R13 1.0kΩ R3 1.0kΩ BC107BP R1 Q1 10kΩ R 1.0kΩ R1 10kΩ 10kΩ R4 BC107BP BC107BP Q3 Q Ksc1 BTS555 4 Ksc BTS555 4 Kb1 BTS555 3,Tab 1,5 3,Tab 1,5 3,Tab 1,5 VSC+ J4 +SC DC +B DC HDR1X4 VDC J3 HDR1X VKst LED3 R10 Q5 10kΩ BC107BP R15 R14 1.0kΩ R5 1.0kΩ R11 BC107BP Q4 4 Kb BTS555 VB+ 3,Tab 1,5 1.0kΩ R6 10kΩ 4 1.0kΩ Fig.3.6. Schema electronică a modulului de condiţionare şi execuţie. Rezultate experimentale Din experimentele efectuate, pe sistemele clasice de pornire a motoarelor a două autovehicule (Dacia 1310Li şi VW Golf 3) în condiţii similare de temperatură (cca -10 C), având acumulatoare de 44-45Ah cu durata de exploatare cca 7 ani, s-au desprins aspectele prezentate în Tab.3.1. Amprenta specifică a demarajului fiecărui sistem de pornire este prezentată în Fig Tab.3.1. Rezultate experimentale obţinute la pornirea autovehiculelor. Parametrul Dacia 1300 Li VW Golf 3 Energia utilă W u, kj Vârful puterii cedate P max, W Durata cuplării demarorului, msec Durata procesului de pornire t p, sec Durata fazei 1 a regimului de scurtcircuit T sc1, msec Durata fazei a regimului de scurtcircuit T sc, msec Perioada vârfurilor de sarcină T s, msec Durata regimului de mers în gol T g, msec Amplitudinea curentului de scurtcitcuit I sc, A Amplitudinea curentului la începutul regimului de sarcină I s1, A Amplitudinea curentului la sfârşitul regimului de sarcină I s, A Amplitudinea curentului la sfârşitul regimului de mers în gol I g, A Amplitudinea oscilaţiilor în prima fază a regimului de scurtcircuit I vsc1, A Amplitudinea oscilaţiilor în a doua fază a regimului de scurtcircuit I vsc, A Amplitudinea oscilaţiilor în regimul de sarcină I vs, A Numărul de cicluri în regimul de sarcină n Parametrii din Tab.3.1. sunt definiţi în Fig.3.8. Valorile lor depind în primul rând de numărul pornirii succesive şi temperatură. Valori mai mari ale lui T sc1, T sc, T s, I vsc1, I vsc şi I vs corespund primei porniri, la rece. Din punct de vedere energetic datele obţinute prin modelare corespund cu datele experimentale, dar există o diferenţă între modelul utilizat şi comportarea reală referitoare la dinamica procesului, evidenţiat de alura diagramei reale I(t). Cu parametri identificaţi în Fig.3.8. şi valorilor lor din Tab.3.1., modelul iniţial (ecuaţia 3..) cu variaţie liniară a curentului de la I sc la I gol, poate fi ameliorat prin considerarea variaţiei neliniare a acestuia.

21 Rezumatul tezei de doctorat 0 Regim de scurtcircui 14 Regim de sarcină Regim de scurtcircuit Regim de sarcină U(t) U(t Voltage (V ) Cuplare demaror I(t) Time (sec) I Astfel: S1 I SC 4π I = t + I + I SC VSC1 sin t, pe durata T sc1, TSC1 + TSC 3T SC1 I S1 I SC π I = t + I sin ( ) SC IVSC t TSC1, pe durata T sc, TSC1 + TSC TSC I ( ) ( ) S I S1 π I = t T + sin SC1 TSC I S1 IVS ( t TSC1 TSC ), pe durata (n+1/4)t s n TS TS I g I S I = ( t TSC1 TSC ( n + 0.5) TS ) + I S IVS, pe intervalul T g. Tg Pe baza modelului ameliorat al sistemului baterie demaror implementat în LabView s-au obţinut semnalele din Fig.3.9. Astfel, la o pornire cu 4 cicluri de compresie/ detentă în sarcină, energia utilă şi vârful puterii maxime obţinute prin modelare diferă faţă de cea reală cu 0,81% respectiv 4,05% pentru următoarele valori medii ale parametrilor: T sc1 =4ms, T sc =148ms, T s =149ms, T g =55, I sc =60A, I s1 =157A, I s =17A, I g =46, I vsc1 =9A, I vsc =9A, I vs =50A Simularea pornirii automobilului cu ajutorul supercapacitorului Cu modelul dezvoltat şi utilizând modelul supercondensatorului. du SC U SC = U SC0 + C RSC I, dt în care U SC este tensiunea la bornele supercondensatorului, U SC0 - tensiunea iniţială la bornele supercondensatorului, R SC rezistenţa internă a supercondensatorului, C capacitatea supercondensatorului, I curentul de descărcare, s-a implementat în LabView programul de simulare a pornirii motorului cu ardere internă. Regim de mers în gol Decuplare demaror 50 b ) a) b) 0 În Figura sunt prezentate formele de undă ale curentului prin şi tensiunii pe demarorul alimentat de la supercondensator, la pornirea cu 4 cicluri în regim de sarcină., Current (A ) Voltage (V) I(t) Cuplare demaror Time (sec) Figura 3.7. Pornirea autovehiculelor cu demarorul alimentat de la baterie: a) VW Golf 3; b) Dacia 1310 Li. T sc1 T sc I sc I vsc1 I s1 I vsc T s Decuplare demaror 00 Regim 150 de mers în gol 100 Fig.3.8. Definirea parametrilor T sc1, T sc, T s, T g, I sc, I s1, I s, I g, I vsc1, I vsc, I vs ai curentului la demaraj. I vs I s I g T g 50 0 Current (A)

22 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare 1 obţinute prin simulare. U(t)/1.6V U/1,6V I(t)/300A I(t)/300 Fig.3.9. Semnalele normalizate de tensiune şi curent obţinute prin simulare pe modelul ameliorat. Pentru determinarea domeniului de valori al capacităţii şi rezistenţei interne a supercondensatorul destinat demarajului, am considerat o pornire pe baterie, relativ solicitantă (5 cicluri de compresie-detentă în 1500 sarcină), ce durează 1,09 secunde şi consumă 1400 o energie de 1,69kJ, cu parametrii: T sc1 =5ms, 1300 T sc =135ms, T s =175ms, T g =55, I sc =60A, 100 I s1 =160A, I s =135A, I g =45, I vsc1 =35A, 1100 I vsc =5A, I vs =55A Pentru această durată a demarajului am simulat pornirea cu condensatoare cu capacităţi de 50F, 75F, 100F şi 15F, R b =- 0mΩ, cu R b =15mΩ şi U SC0 =U b =1,6V. S-au obţinut caracteristicile energiei utile funcţie de rezistenţa internă a supercondensatorului, Wu(R SC ), Fig Caracteristicile relevă faptul că supercondensatorul cu capacitatea de 50F, indiferent de rezistenţa sa internă, nu poate elibera energia necesară pornirii, cel de 75F numai pentru rezistenţe interne foarte mici iar cele de 100F şi 15F, pot asigura energia pentru rezistenţe interne sub 6mΩ respectiv 8mΩ. De remarcat faptul că modificarea rezistenţei interne are o influenţă mai mare decât modificarea capacităţii în furnizarea energiei utile cerute. În Fig.3.1. sunt reprezentate dependenţele W u (n) (n numărul de cicluri Fig Formele de undă ale curentului şi tensiunii normalizate pentru demarorul alimentat de un supercondensator cu C=100F, R SC =mω, obţinute prin simulare compresie-detentă) pentru supercondensatorul cu capacitatea C=100F şi câteva rezistenţe interne. Cu rezistenţa internă de 0mΩ nu poate asigura energia utilă nici pentru 3 cicluri; cel cu rezistenţa internă de 10mΩ poate asigura energia utilă la porniri cu până la 3 cicluri; pentru R SC =6mΩ, n=5 cicluri. Prin simulări suplimentare s-a putut determina numărul maxim de cicluri pentru rezistenţa internă de 4mΩ şi mω: n=7 respectiv n=8 cicluri. Wu (J) Wu (J) Rsc (mohmi) Fig Caracteristicile W u (R SC ) la pornirea motorului cu supercondensator. Număr cicluri (durata demarajului) Rsc mohmi 4 mohmi 6 mohmi 10 mohmi 0 mohmi Baterie Figura 3.1. Caracteristicile W u (n) pentru diverse rezistenţe interne ale supercondensatorului cu C=100F. C 50F 75F 100F 15F Baterie

23 Rezumatul tezei de doctorat CAPITOLUL IV. OPTIMIZAREA SUBSISTEMULUI DE PORNIRE A AUTOVEHICULELOR CE UTILIZEAZĂ SUPERCONDENSATOARE Utilizarea supercapacitorului în tandem cu bateria la pornirea motorului cu combustie internă, prezintă unele avantaje cum ar fi: posibilitatea de folosirea a bateriilor îmbătrânite, exploatate intensiv, descărcate parţial sau cu capacitate mai mică deci cu volum redus cu circa 10-30% respectiv greutate redusă cu circa 5-40%; extindere a duratei de viaţă a bateriei de -3 ori; îndeplinirea condiţiilor de mediu deoarece supercondensatorul nu emite substanţe nocive nici pe durata funcţionării şi nici a stocării [3]. Pe de altă parte, sistemul de management al demarajului propus în lucrare, prevede ca energia supercondensatorul să fie obţinută prin recuperare la frânare şi la coborârea pantelor [4]. Voltage (V) I SC(t) U SC(t) Time U B(t) Fig.4.1. Demaraj cu algoritmul SC-B.MaxW, cu energia supercondensatorului cu puţin mai mică decât cea necesară pornirii. t c I B(t) Current (A) 4.1. Strategii de comandă a demarajului cu sursă de energie hibridă, baterie şi supercondensator Strategia de comandă a demarajului, SC-B.MaxW Acestă strategie presupune pornirea pe supercondensator şi decuplarea acestuia sincron cu cuplarea bateriei în momentul în care energia consumată este egală cu energia estimată necesară pornirii, conform formulei W C t c = U L ( t) I L ( t) dt = WP, 0 unde U L (t) este tensiunea pe sarcină, I L (t) curentul prin sarcină [31]. Pot exista următoarele situaţii: - Energia cedată de supercondensator este cel puţin egală cu cea necesară pornirii, nemaifiind necesară comutarea pe baterie; - Energia cedată de supercondensator acoperă în cea mai mare parte energia necesară pornirii, Fig.4.1. Suplimentul energetic cerut de la baterie nu o solicită pe aceasta foarte mult; - Energia cedată de supercondensator acoperă doar o parte din energia necesară pornirii (Fig.4..); bateria fiind intens solicitată, efectul utilizării supercondensatorului este practic nul. Voltage (V) I SC(t) U SC(t) t c U B(t) Time (sec) I B(t) Fig.4.. Demaraj cu algoritmul SC- B.MaxW, cu energia supercapacitorului mai mică decât cea necesară pornirii. Current (A) Strategia de comandă a demarajului, SC-B.MaxP Fig.4.3. Puterile cedate pe o sarcină constantă de supercondensator şi/sau baterie, în cazul rezistenţei mici a supercondensatorului. Alura curbelor puterii cedate de o baterie şi un supercondensator pe o sarcină constantă lucrând separat sau împreună (Fig.4.3.) relevă posibilitatea de obţinere a unui regim de lucru cu

24 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare 3 putere maximală debitată pe sarcină [31]. Pentru valori mici ale rezistenţei interne a supercondensatorului, surplusul de putere la pornire, este convenabil să fie asigurat, în prima fază, de supercondensator conectat singur la sarcină. La sistemul hibrid bateriesupercondensator corespunzător figurii 4.3., comutarea de pe supercondensator pe baterie se face în momentul în care puterea cedată de supercondensator egalează puterea estimată cedată de baterie, când U Be (t c )=U L (t c )=U SC (t c ), respectiv I Be (t c )= I L (t c )=I SC (t c ), unde U Be şi I Be reprezintă tensiunea respectiv curentul estimat al bateriei, U L şi I L tensiunea respectiv curentul prin sarcina constantă, U SC şi I SC tensiunea respectiv curentul prin supercondensator. Pentru a determina gradul de adecvare al strategiilor, am conceput doi parametri: randamentul de utilizare (η U ) şi raportul puterilor maxime (r Pmax ). Randamentul de utilizare a energiei stocate în supercondensator este definit ca raportul procentual dintre energia supercondensatorului utilizată pe durata pornirii, W U, şi energia totală stocată în supercondensator, W T, η U = WU / WT 100 [%]. Pentru parametrii constanţi U B0 - tensiunea în gol la bornele bateriei, U SC0 tensiunea iniţială în gol la bornele supercondensatorului, R L rezistenţa de sarcină, R SC rezistenţa internă a supercondensatorului şi R B rezistenţa internă a bateriei, randamentul de utilizare a energiei electrice în cazul strategiei SC-B.MaxP va fi [ 1 (( R + R ) U /( R + R )/ U ) ] 100 U, SC B. PMax = L SC B 0 L B SC 0 η (4.1), iar dependenţele de parametrii U B0, U SC0, R L, R SC, R B reprezentate în Fig.4.4. Raportul puterilor maxime cedate sarcinii de supercondensator şi baterie la pornire se calculează cu formula r = P P = U R + R / R + R / U (4.), Pmax, SC B ( ( ) ( ) ) SC0 / B0 SC0 L B L SC B0 unde P SC0 - puterea maximă debitată de supercondensator iar P B0 - puterea maximă debitată de baterie şi exprimă capabilitatea supercondensatorului de a asigura un surplus de putere. Din analiza parametrilor se poate trage concluzia că strategia SC-B.MaxP este adecvată: utilizării bateriilor uşor degradate sau care lucrează la temperatură scăzută (cu rezistenţa internă mare) sau încărcate parţial (cu tensiune mică la borne); funcţionării demarorului în regim de scurtcircuit; utilizării de supercapacitoare cu valoare mică a rezistenţei interne (<16mΩ) şi încărcării acestora la tensiuni mari. Randamentul de utilizare maxim este de 7,67% iar raportul puterilor maxime 3,66 pentru: R B =0mΩ; R L =30 mω; U B0 =11,6V; U SC0 =14,V; R SC = mω. Dimensionarea supercondensatorului funcţie de energia cerută la pornire, W P, astfel încât pornirea să fie făcută integral de supercondensator se face cu formula ( R + R ) W ( R ) 100 W η SC = SC L P / L U, SC B. MaxP R L % (4.3), η(u SC0) Regim de scurtcircuit η(u B0) Fig.4.4. Curbele randamentului de utilizare în cazul strategiei SC-B.MaxP. Regim de sarcină Time η(r SC) η(r B) Regim de mers în gol η(r L) Figura 4.5. Variaţia rezistenţei echivalente a demarorului pe durata pornirii.

25 Rezumatul tezei de doctorat 4 unde W SC este energia supercondensatorului (din catalog) iar η U,SC-B.MaxP dat de formula 4.1. Deşi în situaţia reală rezistenţa demarorului are alura din Figura 4.5., principiul conducerii după criteriul impus rămânând acelaşi. Deconectarea supercondensatorului şi cuplarea bateriei se face atunci când curentul dat de supercondensator egalează curentul estimat I Be (t) ce poate fi debitat de baterie lucrând singură, dat de formula I Be ( t) = U B0 I L ( t)/ ( RB I L ( t) + U L ( t) ), unde U L (t) tensiunea la bornele sarcinii şi I L (t) curentul prin sarcină, valori instantanee. Pentru maximizarea randamentului de utilizare se recomandă întârzierea comutării de pe supercondensator pe baterie (Fig.4.6.). Deşi în intervalele t 1 -t, t 3 -t 4, U SC (t)<u Be (t) respectiv I SC (t)<i Be (t), stabilizarea relaţiilor se realizează abia după momentul t 5. Verificarea relaţiei pe o durată egală cu perioada medie a vârfurilor de sarcină face ca abia la momentul t 6 comutarea de pe supercondensator pe baterie să fie oportună. Determinarea perioadei vârfurilor de sarcină T s este făcută într-o rutină dedicată Strategia de comandă a demarajului, BSC-B.MaxP Pentru valori mari ale rezistenţei interne a supercondensatorului, surplusul de putere nu poate fi asigurat decât de supercondensator legat în paralel cu bateria în faza iniţială. Evoluţia curenţilor din schema echivalentă (Fig.4.7.) debitaţi/ primiţi de baterie şi supercondensator, pentru parametrii U B0, U SC0, R L, R SC şi R B constanţi este reprezentată în Fig.4.8. În prima fază, 0-t 1, supercondensatorul debitează pe sarcină şi baterie, I B =I B1. În a doua fază, t 1 -t, bateria şi supercondensatorul debitează împreună pe sarcină, iar în faza a treia, t>t, bateria debitează singură pe sarcină. În momentul t 1 se anulează curentul prin baterie, iar în momentul t se anulează curentul prin supercondensator, I L = I B, iar ( RB + RL ) U 0 Current (A) U L = U B = U SC = U Be = RL / B. Pentru R L =const., nu are sens deconectarea supercondensatorului. În condiţii reale însă, când rezistenţa de sarcină are alura din Fig.4.5., este necesară deconectarea supercondensatorului. Randamentului de utilizare pentru strategia BSC-B.MaxP este ( 1 U / U R /( R + R )) 100 η, U, BSC B. PMax = B0 SC0 L L B Time (sec) iar raportul puterilor maxime r PMax, BSC B. PMax = PBSC 0 / PB 0 = (( RL + RB )/ RL ) RSC RL /( RSC RL + RB ) USC 0 / UB0 RB RL /( RB RL + RSC ) unde P BSC0 este puterea maximă a tandemului baterie - supercondensator, iar P B0 este puterea maximă debitată de baterie conectată singură la sarcină. Dependenţele randamentului de utilizare şi raportul puterilor maxime strategiei BSC- B.MaxP au aluri asemănătoare cu cele ale strategiei SC-B.MaxP, dar la niveluri inferioare. Strategia BSC-B.MaxP poate fi alternativa strategiei SC-B.MaxP, pentru rezistenţe ale supercondensatorului mai mari de 16mΩ, pentru care randamentul de utilizare al strategiei SC- B.MaxP este 0%. Randamentul de utilizare maxim este de 6% iar raportul puterilor maxime,15 pentru următoarele valori ale parametrilor: R B =0mΩ; R L =30 mω; U B0 =11,6V; U SC0 =14,V; R SC =mω. U SC(t) I Be(t) I SC(t) t 1 t t 3 t 4 t5 t 6 U Be(t) Fig Diagramele U SC (t), I SC (t) pentru SC- B.MaxP şi U Be (t), I Be (t) pentru pornirea clasică. ( ) Voltage (V)

26 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare 5 Când rezistenţa bateriei este mai mică decât cea estimată (datorită temperaturii scăzute, a descărcării profunde sau uzurii acesteia), poate să apară comutarea prematură, t c <t (Fig.4.9.). Pentru evitarea acesteia se poate aplica una din soluţiile: - decuplarea supercondensatorul cu o întârziere egală cu perioada medie a vârfurilor de sarcină; - decuplarea supercondensatorului în momentul în care curentul livrat de el se anulează Actualizarea parametrilor R SC şi R B Deoarece R SC şi R B (ce-şi modifică valoarea funcţie de numărul de cicluri de încărcare/ descărcare sau prin înlocuire) sunt parametrii de care depinde alegerea strategiei şi momentul comutării, este obligatorie actualizarea lor. Uzura bateriei duce la creşterea randamentului de utilizare şi a raportului puterilor maxime pentru ambele strategii, ca urmare a creşterii lui R B. Determinarea valorilor rezistenţelor se va face în momentul cuplării lor în sarcină Maximizarea parametrilor η U şi r Pmax Pentru ambele strategii, parametrii η U şi r Pmax, pot fi amelioraţi prin creşterea tensiunii pe supercondensator. Astfel, pentru o tensiune de 16,V (de la 6 supercondensatoare cu tensiune nominală.7v înseriate) se pot obţine, în cazul strategiei SC-B.MaxP valorile η U,SC-B.Pmax =79% şi r PMAx.SC-B.Pmax =4,76 iar în cazul strategiei BSC-B.MaxP, valorile η U,SC-B.Pmax =3,53% şi r PMAx.SC-B.Pmax =,74. Pentru obţinerea acestei tensiuni se utilizează convertorul c.c.-c.c. ridicător de tensiune 1V(14,V) - 16,V cu CI LTC3780 (Fig..5.). Prin deconectarea lui C SS, conectarea pinului FCB la VINTV CC şi dimensionarea potrivită a componetelor circuitul va lucra în modul Burst-Boost cu randamentul de 98%. Componentele cheie ale circuitului, pentru o frecvenţă de operare de 400kHz, curent de ieşire de 6A şi supracreşteri ale curentului prin bobină de 0% au valorile: L=4,7µH, R SENSE =5mΩ, R 1 =0k, R =385k, MOSFET A/B/C/D Siliconix Si4840 cu RDS(ON) = 9mΩ, CRSS = 150pF, θja = 40 C/W. Voltage (V) I I Be 0 U SC(t) şi U B(t) I SC(t) R S USCgo I SC U SCgol(t) t c I B(t) U B(t) Time Figura Comutarea prematură în cazul algoritmului BSC-B.MaxP. I B R B I L U B R L Fig.4.7. Schema echivalentă a tandemului baterie supercapacitor. I B+SC I B I SC t 1 t I B1 Fig.4.8. Curenţii debitaţi/absorbiţi de baterie şi supercondensator în cazul strategiei BSC-B.MaxP U L Current (A ) t

27 Rezumatul tezei de doctorat 6 la pinul SS Încărcarea de la pinul INTVcc lentă a Vout R7 R1 supercondensatorului R4 R5 R6 R10 R11 R1 R3 se face cu ajutorul R8 la pinul RUN unui circuit de U1 C Vref comandă a C1 Q1 R Q Q3 Q5 R9 Q4 Q6 încărcărcării (Fig.4.11.) [5], [7], [8], [9]. Tensiunea ON/OFF Q7 la pinul SS este modulată astfel încât să se obţină profilul Figura Circuitul de comandă a pornirii încărcării dorit al curentului de supercondensatoarelor cu controlerul LTC3780. încărcare. Pentru supercondensator descărcat complet, tranzistoarele Q1, Q3, Q4 şi Q6 sunt închise iar Q şi Q5 sunt deschise. Pentru ON/OFF = ON, Q3 şi Q6 se deschid, circuitul LTC3780 este pornit. Condensatorul C furnizează rampa de tensiune iniţială pe pinul SS (Q4 închis), până la valoarea de 1,5V stabilită de divizorul rezistiv R7 şi R8, suficientă pentru a menţine circuitul LTC3780 în regimul de pornire lentă sub curent constant. Când tensiunea pe supercondensator este aproape de valoarea finală, comparatorul U1 comută pe nivel ridicat, Q4 se deschide iar pinul SS va fi polarizat cu 3V. Circuitul intră în modul tensiune pentru a ajunge rapid la tensiunea finală. Menţinerea regimului de încărcare lentă, cu curent mic, se face prin modularea tensiunii de referinţă V REF aplicată comparatorului U Selecţia supercondensatorului Deoarece comportarea adecvată a demarajului se realizează cu un supercondensator cu C=100F şi R SC 6mΩ, se poate adopta modulul de supercondensatoare BMOD0110 P016 B01, (Fig.4.13) cu caracteristicile: C, U, ESR, Pd, Pmax, Emax, Ileak, Isc, Imax.cont G, L, l, H, F V mω kw/kg kw/kg Wh/kg ma A A kg mm mm mm , 5,4,3 6 1,49 1, , Cu acest supercondensator, randamentul de utilizare în cazul algoritmului SC-B.MaxP este de 57,1%. Pentru o pornire obişnuită ce necesită o energie de cca kj, supercondensatorul trebuie să înmagazineze o energie de 4,4kJ. Supercondensatorul adoptat poate înmagazina o energie de 14,48KJ, rezultând deci că pot fi realizate porniri mult mai severe (6,55kJ). Cum necesarul de putere la pornirea pe baterie este de,3-,9 kw, iar raportul puterilor maxime al strategiei este de,33 rezultă că puterea necesară impusă de strategie de 5,36 6,76 kw este mai mică decât puterea maximă disponibilă a supercondensatorul. Fig.4.1. Modulul de Selecţia traductorului de curent supercondensatoare BMOD0110 P016 B01. Pentru măsurarea curentului alternatorului se poate utiliza senzorul Hall, CYHCS-K00-30A, fixat pe cablul alternatorului, cu parametrii: domeniul de măsură 0 60A, tensiunea de alimentare +5V±5%, semnalul de ieşire +,5V 4,5V, precizia 1%, timpul de răspuns <3µs, temperatura de lucru C iar curent consumat 10mA.

28 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare Implementarea strategiilor de comandă a demarajului SC-B.MaxP şi BSC- B.MaxP pe platforma experimentală Pentru verificarea strategiilor SC-B.MaxP şi BSC-B.MaxP s-a utilizat platforma de achiziţie şi comandă concepută (Fig.3.4.), cu facilităţile conexe supercondensatorului, respectiv, măsurarea tensiunii pe supercondensator V SC +, a curentului livrat de supercondensator I SC, precum şi comanda comutatorului asociat K SC1,. Algoritmii SC-B.MaxP şi BSC-B.MaxP au fost implementaţi în LabVIEW, programul având 3 module, dedicate mărimilor analogice de intrare, mărimilor digitale de intrare şi mărimilor digitale de ieşire, conectate prin variabilele Kstart şi Stop. Pe lângă funcţiile de achiziţie, vizualizare şi înregistrare, modulul de intrări analogice controlează funcţionarea modulului de ieşiri digitale prin variabila Traking. Modulul de ieşiri numerice controlează contactoarelor K b1, dar şi K sc1, de încărcare a supercondensatorului în regim de impulsuri Implementarea strategiilor de comandă a demarajului SC-B.MaxP şi BSC- B.MaxP într-un sistem cu microcontroler încorporat Implementarea hardware Se propune sistemul de conducere cu schema din Fig [35] în care: SC supercondensator; B baterie; RT regulator de tensiune; RC releu de cuplare; A alternator; M demaror; CÎ-St - circuit pentru încărcarea supercondensatorului SC St de la 1V la 16,V; TC traductor al curentului alternatorului; CCo circuit de condiţionare a semnalelor, µc microcontroler, nucleul sistemului şi comutatoarele statice pentru : VI SC CCo+µC VK Sta VK SC VK B VI B VK P K SC ON/OFF St K B VI Alt VK S K P P V RE U SC CÎ-St VK IB U B K S K Start RC SCst B K IB TC RT A 3~ M = Fig Schema bloc a sistemului de management al demarajului. pornire motor - K start, conectarea/ deconectarea supercondensatorului la/ de la demaror - K SC, conectarea/ deconectarea bateriei la/ de la demaror - K B, conectarea/ deconectarea bateriei la/ de la alternator - K IB, menţinerea alimentării releului de cuplare - K P, întrerupere a alimentării releului de cuplare - K S Implementarea software În funcţionarea sistemului se pot identifica următoarele faze (Fig.4.14.): - Predemarajul, faza în care se află sistemul până în momentul K start K S =ON; motorul

29 Rezumatul tezei de doctorat 8 autovehiculului este oprit, supercondensatorul (pe perioadă τ m ) este menţinut încărcat la valoarea 16,V prin CÎ-St iar contactele K B şi K SC sunt deschise; - Demarajul, în care se intră prin K start =ON (t pk ), K P =ON şi K S =ON; durata demarajului este controlată de K S ; în cazul strategiei SC- B.MaxP, K B =False şi K SC =True iar în cazul strategiei BSC- B.MaxP, K B = True şi K SC =True, în ambele cazuri până în momentul t c, corespunzător comutării; din momentul t c, K B = True şi K SC = False; la momentul t od, când demarorul intră în regim de mers în gol, se comandă K S =False, K p =False, K B =False şi K SC =False. K B K SC CHARGE ON/OFF K S K P K start Predemaraj Demaraj Postdemaraj - Postdemarajul, cu motor în funcţionare şi K B =K SC =OFF. Este caracterizată de 3 regimuri de lucru: 1. Normal, autovehiculul rulează cu viteză relativ constantă, pedala de acceleraţie uşor apăsată, CHARGE=OFF;. Accelerare, CHARGE=OFF pentru a suplimentarea puterii motorului; 3. Recuperare, (pe durata τ î1, CHARGE=ON); regimul corespunde frănării şi coborârii pantelor; dacă curentul debitat de alternator se apropie de valoarea maximă (caracteristica I alt (n), Figura..) se comandă micşorarea curentului de încărcare a supercondensatorului SC St. τ m t pk t c t ok Fig Diagrama temporală a algoritmului de conducere SC-B.MaxP. t od τ î1 τ î

30 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare 9 CAPITOLUL V. SUBSISTEMUL DE MANAGEMENT AL PREÎNCĂLZITORULUI CONVERTORULUI CATALITIC 5.1. Subsistemul de reglare a compoziţiei amestecului combustibil Acest subsistem face parte din sistemul de management al motorului şi are funcţia de a menţine raportul aer/ combustibil cât mai aproape de valoarea stoichiometrică (14,7/1). Informaţia despre conţinutul de oxigen al gazelor eşapate (dată de senzorului lambda montat în amonte de convertorul catalic), precum şi informaţiile despre cantitatea şi temperatura aerul pentru combustie, poziţia clapetei de admisie a amestecului combustibil şi presiunea din camera de admisie, permit reglarea adecvată a injecţiei cantităţii corespunzătoare de combustibil. Bucla de reglare a raportului aer/ combustibil previne supraîncălzirea convertorului catalitic şi asigură funcţionarea optimă a motorului la pornirea, la rece, la sarcini moderate şi mari, la acceleraţie şi deceleraţie. Un element cheie pe traseul de evacuare al gazelor arse este convertorul catalic (catalizatorul), care are rolul de a reduce emisiile de combustibilul nears şi CO prin transformarea lor în CO şi H O de către catalizatorii de paladiu şi platină; catalizatorii trivalenţi (platina şi rodiu) transformă oxizii de azot în azot şi oxigen [5]. Temperatura la care lucrează catalizatorul este de 750 C (900 C pentru catalizatoarele de fabricaţie mai recentă) şi este influenţată de conţinutul de CO din gazele eşapate, ce nu trebuie să depăşească un anumit prag pentru a preveni supraîncălzirea catalizatorului. 5.. Schema bloc a subsistemului de management al preîncălzitorului convertorului catalitic. Subsistemul de management al preîncălzirii catalizatorului propus, are în structură un supercondensator, prin descărcarea căruia pe o rezistenţă, se aduce rapid la temperatura minimă de lucru (50 C) convertorul catalitic. În absenţa preîncălzirii, în intervalul de timp de la pornire până la atingerea temperaturii optime de lucru a catalizatorului, se emite în atmosferă cea mai mare parte din cantitatea de noxe produsă de autovehicul. Cu preîncălzire, cantitatea de noxe emise se micşorează substanţial, catalizatorul lucrând aproape de regimul nominal încă de la pornirea motorului. Energia electrică acumulată în supercondensator este dată de alternator în regimurile Normal şi Recuperare. În regimul Accelerare, supercondensatorul este deconectat de la alternator, iar pe perioada staţionării (Predemaraj) este menţinut încărcat de bateria autovehiculului. VK V temp µc ON/OFF K M VK PÎ U SCPÎ CÎ-PÎ LSPÎ K PÎ R PÎ SC PÎ K IB Alternator TT Fig.5.1. Schema bloc a subsistemului de management a preîncălzirii catalizatorului. Subsistemul (Fig.5.1.) are în componenţă: R PÎ - rezistenţa de preîncălzire; SCPÎ - supercondensatorul dedicat preîncălzirii; TT - traductor de temperatură; K PÎ - comutator static

31 Rezumatul tezei de doctorat 30 de conectare la/, deconectare/ de la supercondensator a rezistenţei; K M - comutatorul de pornire al autovehiculului, poziţia funcţionare motor; CÎ-PÎ circuit de încărcare a supercondensatorului dedicat preîncălzirii; LSPÎ lampă (LED) de semnalizare a preîncălzirii catalizatorului; µc - microcontrolerul sistemului de management al energiei. Funcţie de temperatura iniţială a catalizatorului, SC PÎ se descarcă complet sau parţial prin R PÎ, înainte de pornirea motorului. Perioada descărcării este semnalizată prin aprinderea lămpii LSPÎ şi condiţionează demarajul prin controlul comutatorului K S (subsistemul de demaraj) Selecţia componentelor subsistemului Selecţia supercondensatorului Pentru un catalizator metalic cu volum standard 1 litru, cantitatea de energie necesară creşterii temperaturii cu 50 C este 3 3 W t = 50 C = ρ V c t = 0,8kg / dm 1dm 500 J / kg K 50 K = 100kJ, unde ρ este densitatea materialului, V volumul catalizatorului, c căldura specifică a materialului iar t creşterea de temperatură. Pentru un catalizator ceramic, cantitatea de energie necesară preîncălzirii este W t= 50 C = ρ V ( ccer + caer ) t = 0,5kg / dm 1dm ( ) J / kg K 50 K = 133, 36kJ unde c cer este căldura specifică a ceramicii iar c aer cea a aerului. Energia necesară preîncălzirii poate fi obţinută de la un modul de supercapacitoare BMOD0165 P048 Maxwell, cu următoarele caracteristici: C U ESR,dc t o P W I leak I scc I max,cc (F) (V) (mω) ( C) (W/kg) (Wh/kg) (ma) (A) (A) ,6 7, ,81 5, Acest supercapacitor poate livra o energie de 194kJ atunci când se descarcă de la 48,6V la 0V, acoperitoare pentru ambele tipuri de catalizatoare Selecţia componentelor convertorului cc-cc 1-48,6V Convertorul c.c.-c.c. ridicător de tensiune este bazat pe circuitul LT3751 (Fig..6.), ce lucrează în modul Controler încărcător de condensatoare (prin aplicarea unei tensiuni pe terminalul FB cuprinsă în intervalul 0-1,16V). Transformatorul utilizat are parametrii: N=3; I PRI(MAX)= 10A, L PRI =10µH, pentru care vârful de curent din primar va fi de 4,86A. Timpul de încărcare de la 0 la valoarea nominală de 48,6V va fi de minute la un randament al transformatorului de 70%. Deoarece, în general, nu toată energia înmagazinată de SC PÎ este utilizată, tensiunea de descărcare nu ajunge la 0V. Valoarea tensiunii finale U f este dată de formula U f = U SC0 Wc C, unde U SC0 este tensiunea iniţială a supercondensatorului (48,6V), Wc energia consumată pentru preîncălzire (100kJ - 133kJ), C capacitatea condensatorului (165F). Astfel, tensiunea finală pe supercondensator va fi 33,9V pentru catalizatoarele metalice, respectiv 7,4V pentru catalizatoarele ceramice. Cum variaţia tensiunii pe supercondensator la încărcare este aproximativ liniară, timpul de încărcare poate fi t = U U t U, unde t 0 este timpul de încărcare de la 0V la estimat cu formula i ( SC0 f ) 0 / SC 0 tensiunea finală U SC0. Rezultă timpii de încărcare de 1h:5min h în cazul catalizatoarelor metalice şi de h:43min h:53min în cazul catalizatoarelor ceramice. Rezistenţele cu rol în determinarea parametrilor specifici vor avea valorile: RV TRANS =40k; R DCM =18k; RV OUT =40k, R BG =,37k.

32 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare 31 Tranzistorul NMOS utilizat este FDS58 cu I D =4,1V şi V DS(MAX)= 150V, iar dioda ES1G cu I F(AV)= 1A şi V RRM =400V. R PI Selecţia rezistenţei de preîncălzire Dimensionarea rezistenţei de preîncălzire a catalizatorului se face cu formula = t C ln U / U, unde U SC0 - tensiunea iniţială pe supercondensator, U SCf - [ ( )] desc / SCf SC 0 tensiunea finală pe supercondensator şi t desc timpul de descărcare. Pentru un timp de descărcare de 0s, U SC0 =48,6V şi C=165F, în cazul catalizatorului metalic cu U SCf =33,9V, valoarea rezistenţei este de 376mΩ iar pentru catalizatorul ceramic cu U SCf =7,4V, valoarea rezistenţei de 1mΩ. În calcule se poate neglija puterea disipată pe rezistenţele interne ale supercondensatorului (7,1mΩ) şi contactorului static (,5mΩ), mult mai mici decât rezistenţa R PÎ Selecţia traductorului de temperatură Termocuplul de tip K, cu domeniul C este potrivit pentru măsurarea temperaturii convertorului catalitic ce poate ajunge la 900 C. Pentru a evita utilizarea de cabluri şi cuple speciale se poate folosi un termocuplu de tip K conectat la un amplificator THAK 150, cu următoarele caracteristici: tensiunea de alimentare 5-16V, semnalul la ieşire 0-5V pentru temperaturi între 0 şi 150 C, precizie %, sensibilitatea 4mV/ C, curent consumat <10mA Funcţionarea subsistemului Diagrama temporală de funcţionare a subsistemului Faza de Predemaraj, Fig.5.., K PÎ =OFF, K S =OFF, K M =OFF, K start =OFF, CHARGE=ON, corespunde regimului de menţinere al supercondensatorului (U SCPÎ =48,6V). La momentul t ppk (timp prepornire), K M =ON, se iniţiază procesul de preîncălzire a catalizatorului prin oprirea încărcării (CHARGE=OFF) şi descărcarea supercondensatorului pe rezistenţa de preîncălzire (K PÎ =ON). Pe durata preîncălzirii catalizatorului, pornirea motorului este invalidată de K S. După transferul energetic dintre SC PÎ şi R PÎ (t start ), K S =ON, K PÎ =OFF. Dacă şi K start =ON se intră în faza de demaraj, fază ce se încheie cu regimul de mers în gol al demarorului, când se opreşte alimentarea acestuia prin K S =OFF (t stop ). K PÎ CHARGE ON/OFF K S K M K start Predemaraj Demaraj Postdemaraj În regimul Acceleraţie, se opreşte încărcarea supercondensatorului SC PÎ pentru a permite motorului să utilizeze în întregime puterea disponibilă. Estimarea momentului în care se poate opri descărcarea supercondensatorului SC PÎ se face astfel: Se determină energia necesară încălzirii catalizatorului de la T 0 până la 50 C, cu formula: t ppk t pk t start t ok t stop Acc Fig.5.. Diagrama temporală de funcţionare a subsistemului de preîncălzire a catalizatorului.

33 Rezumatul tezei de doctorat 3 W nec = ρ V c ( 50 T0 ) = K (50 T0 ) (5.1) unde ρ este densitatea materialului, V volumul catalizatorului, c - căldura specifică a materialului; pentru catalizatorul metalic K=400J/ K iar pentru cel ceramic K=533,44 J/ K; Se determină energia totală înmagazinată în supercondensator pe baza tensiunii iniţiale în gol la bornele supercondensatorului U SCPI0, cu formula: W = C / (5.); tot U SCPI 0 Se calculează apoi, iterativ, după fiecare eşantionare energia consumată W c pe baza tensiunii la bornele supercondensatorului, U SCPÎ, W = W C U / (5.3). Se compară W c cu W nec şi la coincidenţă se decuplează SC PÎ Algoritmul de conducere al subsistemului c tot În Fig.5.3. este prezentat algoritmul de comandă a subsistemului de preîncălzire a convertorului catalitic. Start SCPI T PÎ, U SCPÎ0 Calcul W nec (formula 5.1) şi W tot (formula 5.); W C=0 1 False K M True STOP ICE? True False CHARGE=OFF K PÎ=True K S True Acc False 3 False True False W C=W nec CHARGE=OFF K PÎ=False U SCPÎ Calcul Wc cu formula (5.3) True K S=True K PÎ=False CHARGE=ON K PÎ=False U SCPI = 48,6V False 1 3 Stop True Fig.5.3. Algoritmul de comandă a sistemului de preîncălzire a catalizatorului.

34 Contribuţii la sistemele de control ale autovehiculelor ce utilizează supercondensatoare 33 CAPITOLUL VI. SUBSISTEMUL DE MANAGEMENT AL ENERGIEI AUTOVEHICULULUI (SME) 6.1. Modulul de control al motorului autovehiculului (ECM) ECM face parte din sistemul de tracţiune al autovehiculului şi este unul din cele mai complexe sisteme de conducere, fiind dezvoltat în jurul unui microcontroler puternic pe 16 biţi conectat la reţeaua CAN de mare viteză, Fig.6.1. Mulţi dintre parametrii achiziţionaţi de ECM sunt utilizaţi şi de alte subsisteme prin intermediul magistralei CAN. Trei dintre parametrii protocolaţi pe magistrala CAN, viteza autovehiculului (Vehicle Speed), turaţia motorului (CrankShaft Signal) şi nivelul de apăsare al pedalei de acceleraţie (Pedal Position), sunt utilizaţi şi în SME.. Ei pot fi preluaţi de pe magistrala CAN, în modul ascultare sau prin serviciul ReadObject cu solicitarea de date controlerului ECM prin mesaje Remote. În cazul inexistenţei sau inaccesibilităţii ECM, parametrii pot fi preluaţi direct de la senzorii dedicaţi; viteza de la senzorul Reed (sau optic sau inductiv) montat pe cablul vitezometrului; turaţia motorului de la senzorul inductiv montat pe axul motorului; poziţia pedalei de acceleraţie de la senzorul rezistiv (sau Hall) montat pe pedala de acceleraţie. Fig.6.1. Schema bloc a ECM. Informaţia despre acceleraţie poate fi furnizată şi de senzorului de poziţie al clapetei de admisie a amestecului combustibil (TPS). 6.. Funcţiile şi structura sistemului modernizat de management al energiei autovehiculului Concepţia SME a vizat două cerinţe majore actuale, respectiv utilizarea eficientă a energiei şi protecţia mediului. Subsistemul are în nucleu un microcontroler şi include cele două subsisteme funcţionale sintetizate: subsistemul de management al demarajului (SMD) şi subsistemul de management al preîncălzirii convertorului catalitic (SMPCC). SME identifică starea motorului autovehiculului (Pornit/ Oprit) şi regimul de lucru (Normal/ Recuperare/ Accelerare) pe baza informaţiilor primite de la ECU, prin reţeaua CAN (varianta 1 Fig.6..), sau direct de la senzori (varianta ), despre parametrii viteză (v), turaţie (n), pedală de acceleraţie neapăsată (pan) şi apăsare pedală de acceleraţie (apa). Informaţiile despre stare şi regim sunt utilizate şi de modulele SMD şi SMPCC Funcţionarea şi algoritmul de comandă al sistemului modernizat de management al energiei autovehiculului SME determină starea şi regimul de funcţionare al autovehiculului şi apelează apoi secvenţial rutinele de deservire a SMD şi SMPCC (Fig.6.3.).