Разработка электронного блока управления системы утилизации бросовой теплоты ДВС на основе термоэлектрических элементов с применением 8-BIT микроконтроллера ATMEL

КПД современного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в среднем оценивается в 40% [1]. Дальнейшее увеличение эффективности ДВС вызывает необходимость внесения серьезных изменений в конструкцию, что увеличивает степень сложности и стоимость двигателя. Однако существуют другие способы снижения расхода топлива не связанные напрямую с внесением изменений в ДВС. Один из таких способов заключается в утилизации бросовой теплоты, выделяемой ДВС. Существуют множество исследований в области утилизации бросовой теплоты ДВС. Н. А. Хрипач и А. П. Татарников [2], Е. М. Овсянников и др. [3] в своих обзорных статьях рассматривают возможности утилизации бросовой теплоты ДВС, а также предлагают свои варианты устройств утилизации теплоты (УУТ) на основе турбокомпрессора системы турбонаддува ДВС. В ряде зарубежных статей рассматриваются устройства, утилизирующие бросовую теплоту ДВС посредствам термоэлектрических элементов [4; 5]. Егоров Н. А. также ведет разработку УУТ на основе термоэлектрических элементов [6]. В большинстве рассмотренных исследований предполагается, что УУТ будет генерировать электроэнергию совместно со стандартным электрическим генератором транспортного средства или вместо него. Все вышеперечисленные исследования предполагают создание сложных технических устройств, нуждающихся в согласовании своей работы с работой ДВС. В большинстве рассматриваемых исследований предполагается выработка электрической энергии, что вызывает необходимость согласования электрических цепей транспортного средства и УУТ. Также для исследования прототипов необходим мониторинг в режиме реального времени ряда характеристик УУТ. Для выполнения всех перечисленных выше задач необходимо создание электронного блока управления (ЭБУ) для УУТ.

В данном исследовании рассматривается разработка прототипа ЭБУ для прототипа УУТ на основе термоэлектрических элементов, работающего совместно со стандартным электрическим генератором транспортного средства или взамен него. В виду разнородности поставленного списка задач (от задач выполнения измерений до задач управления исполняющими механизмами) в ходе предварительной оценки принципиального строения ЭБУ было принято решение использовать в качестве основного элемента ЭБУ микроконтроллер (МК). По результатам предварительной оценки для разработки ЭБУ были выбраны 8-битные МК фирмы Atmel серии Atmega. Наиболее доступным, компактным и недорогим является микроконтроллер Atmega328P-AU. Таким образом, целью исследования является разработка электронного блока управления системы утилизации бросовой теплоты ДВС на основе термоэлектрических элементов с применением 8-битного микроконтроллера Atmel.

Большинство электрических генераторов, применяемых в транспортных средствах, имеют однотипную конструкцию и представляют собой 3-х фазную электрическую машину переменного тока, работающую совместно с выпрямительным диодным мостом и регулятором напряжения. Использование УУТ предполагает возможность отключения стандартного генератор и использование в качестве источника бортовой электроэнергии термоэлектрические элементы. Рассмотрим принципиальную схему генератора и части бортовой сети, а также вносимые в них изменения при работе с УУТ на примере автомобиля ВАЗ 2110 (рисунок 1) [7].

Рисунок 1. Принципиальная схема генератора и части бортовой сети, а также вносимые в них изменения при работе с УУТ автомобиля ВАЗ 2110, где: А – стандартная принципиальная схема; Б – модифицированная принципиальная схема; 1 – АКБ; 2 – электрический генератор; 3 – предохранитель монтажного блока; 4 – силовой ключ замка зажигания; 5 – панель приборов; 6 – лампа индикации работы генератора; 7 – двухканальное реле; 8 – ЭБУ; 9 – колодка для подключения термоэлектрических элементов УУТ; 10 – колодка для подключения датчиков УУТ

Для отключения генератора (2) в контур питания обмотки возбуждения ротора встраивается двухканальное реле (7), которое служит также для подачи необходимого сигнала лампе индикации работы генератора (6). Важно отметить, что реле должно быть встроено в контур питания обмотки возбуждения ротора после общей точки с контуром самовозбуждения генератора. При отсутствии управляющего сигнала с ЭБУ (8) генератор (2) работает в обычном режиме. При подаче ЭБУ (8) управляющего сигнала на реле (7) отключается питание обмотки возбуждения ротора генератора (2) и выработка электроэнергии генератором прекращается. При этом лампа индикации работы генератора (6) на панеле приборов (5) будет показывать обычный режим работы генератора.

Предполагаемый результат использования УУТ на автомобиле ВАЗ 2110 заключался бы в экономии топлива. Заявленная производителем мощность стандартного электрического генератора данного автомобиля составляет 1,2 кВт [8]. С учетом заявленного производителем КПД двигателя [9] экономия топлива могла бы доходить до 315 - 480 г/мото час.

Разрабатываемый в ходе исследования электронный блок управления будет осуществлять контроль над устройством утилизации теплоты в режиме реального времени. После запуска двигателя ЭБУ осуществляет контроль за температурой термоэлектрических элементов. Далее после прогрева элементов, ЭБУ посредствам реле отключает стандартный электрический генератор. При этом ЭБУ подключает к бортовой сети батарею термоэлектрических элементов. В состав ЭБУ предполагается включить импульсный преобразователь напряжения, согласовывающий параметры напряжения и силы тока на выходе с батареи термоэлектрических элементов с необходимыми параметрами бортовой сети транспортного средства. Разработка конструкции данного импульсного преобразователя напряжения предполагается в дальнейшем ходе исследования. В процессе работы УУТ ЭБУ выполняет мониторинг температур термоэлектрических элементов, параметров напряжения и силы тока, фиксирует мощность УУТ, а также произведенную им работу.

На момент написания статьи исследование находилось на стадии лабораторных испытаний термоэлектрических элементов и построения первого прототипа ЭБУ для мониторинга результатов испытаний. В состав разработанного ЭБУ входят следующие элементы: модули MAX6675 [10] – выполняют измерение ЭДС термопары, и передачу данных по интерфейсу SPI микроконтроллеру; модуль ACS712T [11] – выполняет измерение силы тока, протекающего через клеммную колодку и формирует сигнал, величина которого по напряжению прямо пропорциональна силе тока, воспринимаемый микроконтроллером; термопары K-типа; отладочная плата Arduino NANO с контроллером Atmega328P [12]. Принципиальная электрическая схема разработанного ЭБУ представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная электрическая схема разработанного ЭБУ

Через колодку J2-J3 ток от термоэлектрических элементов поступает на делитель напряжения, образуемый сопротивлениями R1 и R2 для измерения напряжения, вырабатываемого элементами. Потенциометр RV1, необходим для точной подстройки измеряемого напряжения. Далее ток поступает на аналоговый порт А1 отладочной платы U1. Так же ток проходит через модуль D7, выполняющий измерение силы тока. После этого ток поступает на колодку для подключения нагрузки 2, через которую ток от термоэлектрических элементов поступает на нагрузку. Модуль D7 выполняет измерение силы тока, и формирует аналоговый сигнал, уровень напряжения которого пропорционален измеренному току. Сигнал направляется на порт платы A0. Модули для измерения температуры D1-D6, термопары которых TC1-TC6 закреплены на соответствующих радиаторах, обмениваются данными с U1, передавая данные по шине SPI на порты D5-D10. Линии тактирования и выбора модуля подключены к портам D13 и D12 соответственно. Выключатель SW1 управляет включением и отключением измерений. Резистор R3 необходим для подтяжки выключателя S1 к земле в целях устранения ложных срабатываний от индуктивных наводок. При разомкнутом ключе SW1 измерения не производятся, а измерительный комплекс будет сигнализировать о готовности к началу измерений посредством встроенного на плату МК 4 светодиода (на рисунке 2 не показан). При замкнутом ключе S1 комплекс производит измерения и отправляет данные на ПК, к которому он подключается через разъем mini-USB с помощью дата кабеля mini-USB. Питание для работы измерительного комплекса берется от ПК по шине USB. Изображение разработанного прототипа ЭБУ и лабораторной установки представлено на рисунке 3.

Рисунок 3. Разработанного прототип ЭБУ и лабораторная установка

Получаемый от ЭБУ набор данных представлен на рисунке 4.

Рисунок 4. Получаемый от ЭБУ набор данных

В результате испытаний прототипа ЭБУ было установлено, что разработанный прототип на базе микроконтроллера Atmega328P справляется с поставленными задачами, в состоянии получать и обрабатывать необходимый набор данных и вести мониторинг работы УУТ. В дальнейшем ходе исследования предполагается модернизация прототипа ЭБУ УУТ с добавлением функций управления работой УУТ, а также последующий анализ работы модернизированного ЭБУ.