автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электрические пусковые системы в бортовой сети электрооборудования автомобилей с номинальным напряжением 36 В

На правах рукописи

Феофанов Сергей Александрович

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПУСКОВЫЕ СИСТЕМЫ В БОРТОВОЙ СЕТИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ С НОМИНАЛЬНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ 36 В

Специальность 05.09.03 -«Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2014

24 АПР 2014

005547434

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) на кафедре «Электротехника и электрооборудование».

Научный руководитель Ютт Владимир Евсеевич,

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО МАДИ, заведующий кафедрой «Электротехника и электрооборудование», г. Москва Официальные оппоненты Соловьёв Владимир Алексеевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени. Н.Э. Баумана», кафедра ФН-7 «Электротехника и промышленная электроника», г.Москва Малеев Руслан Алексеевич,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», профессор кафедры «Автотракторное электрооборудование», г. Москва

Ведущая организация: Государственный научный центр Российской Федерации

Федеральное государственное унитарное предприятие центральный ордена трудового красного знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».

Защита состоится «3» июня 2014 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д.64, ауд. 42.

Телефон для справок: (499) 155-93-24.

Автореферат размещен на сайте ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»: http://www.madi.ni/135-uchenw-50Уе^Й55е11асю1шуе-50УеГу.1Ат11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Автореферат разослан « 4 » апреля 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организащш, просим направлять в адрес диссертационного совета университета, а копии отзывов присылать по электронной почте: uchsovet@madi.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.126.05,

кандидат технических наук, доцент СУ* ^ Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Тенденции мирового автомобилестроения направлены на повышение безопасности, топливной экономичности, потребительских качеств автотранспортных средств (АТС) при одновременном снижении наносимого экологического вреда от их использования.

Ужесточающиеся требования к АТС стимулируют постепенное внедрение электрических и мехатронных систем с общим сетевым микропроцессорным управлением, позволяющих оптимизировать способы и законы управления исполнительными механизмами и повысить КПД устройств до 0,75...0,9, вместо существующих 0,25...0,4 у механических. Увеличение числа систем электрооборудования и электроники приводит к ежегодному общему росту мощности потребителей в бортовой сети АТС.

Бортовая сеть легковых и грузовых автомобилей при напряжении 14 В и 28 В, соответственно, близка к своему пределу по токовым нагрузкам и условиям коммутации. Поэтому производители АТС ведут работы по переводу части энергоёмких систем на повышенное номинальное напряжение 42 и 48 В, относительно безопасное для человека при однопроводной схеме проводки электрооборудования.

Одной из самых энергоёмких систем, перевод которой на повышенное напряжение может дать большой технико-экономический эффект, является система пуска. В бортовой сети с повышенным напряжением возможно применение стартеров классической конструкции с изменёнными обмоточными данными, а также стартер-генераторных установок (СГУ), использование которых значительно расширяет функциональные возможности системы пуска, повышает её эффективность и способствует улучшению экологических показателей и топливной экономичности.

Актуальность работы определяется тем, что она направлена на решение проблемы перевода системы пуска на повышенное напряжение с учётом конструктивно-технологических параметров серийных изделий с целью снижения затрат при внедрении, а также на исследование совместной работы СГУ с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС) для АТС с общей снаряжённой массой до 3,5 тонн.

Целью настоящей работы является повышение эффективности системы пуска, улучшение экологических показателей и топливной экономичности за счет создания методов расчётного, теоретического и экспериментального

исследований электрических пусковых систем ДВС на повышенное номинальное напряжение, в том числе с СГУ.

В рамках поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Разработка методики проектирования стартерного электродвигателя на повышенное номинальное напряжение с учётом конструктивно-технологических параметров серийных изделий с целью минимизации себестоимости производства.

2. Разработка привода стартера без тягового реле, рычажного привода и обгонной муфты с целью повышения массо-габаритных показателей и снижения себестоимости.

3. Разработка эмпирической модели совместной работы ДВС и СГУ в двигательном режиме на основе искусственной нейронной сети (ИНС).

4. Разработка статического табличного наблюдателя заряда химического накопителя энергии на основе информации о напряжении разомкнутой цепи.

5. Разработка алгоритмов управления СГУ на основе вентильно-индукторного двигателя с самоподмагничиванием, их корректировка по результатам испытаний.

6. Теоретические и экспериментальные исследования поиска наилучшей стратегии управления совместной работой ДВС с СГУ в различных режимах с целью повышения топливно-экономических и экологических свойств АТС.

Методы и методология исследований

При решении задач использованы современные математические методы, основные положения электротехники, электропривода, технологии производства электрических машин, теорий автоматического управления и автомобиля. Расчётные исследования алгоритмов работы СГУ и статического наблюдателя уровня заряда проведены на основе статических моделей, реализованных на базе математического пакета "МАТЬАВ". Расчётные исследования были подтверждены экспериментальными данными, полученными в результате испытаний, в том числе, на примере изготовленных опытных образцов по описанным в работе методикам. Экспериментальные исследования проводились в современных лабораториях ОАО «ЗМЗ» г.Заволжье, ФГУП НИИАЭ г.Москва и заводе ОАО «Элтра» г.Ржев, оснащённых современным измерительным оборудованием.

Объектом исследования являлись основные компоненты традиционной системы электрического пуска для АТС классической конструкции и с применением СГУ.

Достоверность результатов обеспечена использованием современных математических методов и средств моделирования, применением оборудования и приборов с соблюдением государственных стандартов, а также адекватностью результатов расчётных и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы:

1. Разработана и экспериментально проверена обобщенная методика пересчета обмоток стартера и параметров аккумуляторной батареи при переходе на повышенное номинальное напряжение при сохранении геометрических размеров серийного электродвигателя.

2. Разработана и экспериментально проверена конструкция привода стартера без тягового реле, рычажного привода и обгонной муфты.

3. Разработана эмпирическая математическая модель на основе искусственной нейронной сети, использующая экспериментальные данные стендовых испытаний работы ДВС и СГУ в двигательных режимах, позволяющая повысить эффективность их совместной работы.

4. Разработана математическая модель с использованием эмпирических данных совместной работы ДВС и СГУ в двигательном режиме на основе искусственной нейронной сети с целью определения точек наибольшей эффективности при совместной работе.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при выполнении работ, связанных с созданием бортовой сети с повышенным номинальным напряжением перспективных транспортных средств, в том числе с СГУ. Результаты работы, включая разработанные аппаратно-программные средства, по практическому исследованию электропусковых систем на повышенное напряжение использованы во ФГУП НИИАЭ, ФГУП «НАМИ», ОАО «ЗМЗ», ОАО «УАЗ», а также в научно-исследовательских разработках и учебном процессе кафедры «Электротехника и электрооборудование» МАДИ и МГМУ МАМИ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Обобщенная методика пересчета обмоток стартерного электродвигателя и параметров аккумуляторной батареи при переходе на повышенное номинальное напряжение с учётом конструктивно-технологических параметров.

2. Программные средства, обеспечивающие повышение эффективности совместной работы ДВС и СГУ.

3. Расчетные и экспериментальные исследования электрической пусковой системы на основе стартерных электродвигателей и АБ на повышенное номинальное напряжение 36В.

4. Конструкция стартерного электродвигателя с механизмом включения приводной шестерни без тягового реле, рычажного механизма и муфты свободного хода.

5. Расчётные и экспериментальные исследования системы пуска с использованием стартер-генераторной установки на АТС со снаряжённой массой до 3,5 тонн с бензиновым ДВС.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

П-ой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», ТГУ, г. Тольятти, 2007 г.;

- 8-ом Международном автомобильном научном форуме «Развитие национальной базы НИОКР», НИЦИАМТ ФГУП "НАМИ", г.Дмитров, 2010 г.;

- 10-й Международной конференции «Дни науки» университета Лаузитц, г.Лаузитц, Германия, 2010 г.;

- 75-ой научно-технической конференции «Перспективы развития автомобилей, развитие транспортных средств с альтернативными энергоустановками». ОАО «АВТОВАЗ», г. Тольятти, 2011 г.;

- Международной молодёжной конференции «Энергоэффективный автомобильный транспорт будущего», МГМУ «МАМИ», г. Москва, 2012 г.;

64-72-ой научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ, г. Москва, 2005 - 2014 гг.

Публикации

Основные положения и результаты исследований опубликованы в двух тезисах докладов на международных научных конференциях, 10-и печатных работах, в том числе, семь в изданиях, включенных в перечень рекомендованный ВАК. Получен один патент на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, библиографического списка из 155 наименований и трёх актов внедрения. Общий объем работы 188 страниц текста, в том числе таблицы, графики и рисунки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи работы, перечислены её основные результаты и область их применения, отмечена практическая ценность и научная новизна.

В первой главе проведен анализ современной бортовой сети автомобиля, определены проблемы и рассмотрены основные пути их решения, в том числе, за счёт повышения номинального напряжения.

Глава содержит несколько принципиальных частей, включающих:

• анализ тенденций развития бортовой сети автомобилей;

• рассмотрение основных технических проблем бортовой сети автомобилей с напряжением 12 и 24В;

• варианты перехода и анализ возможных архитектур сетей на повышенное напряжение 42 В;

• анализ перехода электрических пусковых систем на повышенное напряжение;

• основные преимущества и функциональные возможности применения СГУ в бортовой сети автомобиля.

В результате проведённого анализа зарубежных и отечественных источников информации, было выявлено, что тенденции развития АТС, направлены на повышение безопасности, комфорта, экономичности и экологичности. Выполнение этих требований вызывает необходимость постоянного увеличения количества и мощности потребителей электроэнергии, обладающих большим КПД и гибкостью управления. На первоначальном этапе, снижение общей потребляемой мощности может сдерживаться за счёт активно внедряемых электроприводов и правильно организованного управления потребителями. Работы целенаправленно ведутся автомобильными мировыми компаниями по пути ограничения одновременного включения мощных потребителей и применения интеллектуального управления потребителями, обеспечивающим выделение только той мощности, которая необходима.

Увеличение количества и мощности потребителей энергии, ухудшение массогабаритных показателей электропроводки, снижение надежности коммутации и высокие токовые потери, делают необходимым переход на повышенное напряжение бортовой сети всего или части электрооборудования автомобиля на 42 В для генераторной установки (36В для электропусковых систем). В связи со сложностями проектирования нового электрооборудования и освоения производства, необходим поэтапный

переход на напряжение 42В и внедрение новых систем электрооборудования. Важной, и одной из первоочередных систем для перевода на повышенное напряжение, является электропусковая, массогабаритные показатели и функциональность которой, могут быть улучшены.

Проведён анализ различных архитектур схем бортовых систем с СГУ на основе мировой практики, выявлены преимущества и недостатки различных решений.

Во второй главе рассмотрена методика проектирования стартерных электродвигателей постоянного тока на повышенное номинальное напряжение 36 В на основе промышленных серийных образцов с учетом конструктивно-технологических особенностей и новых технических решений.

Методика базируется на основных положениях теории электрических машин постоянного тока и учитывает особенности работы и конструкции электрических стартеров.

Изменения в конструкции должны позволять выпускать модификацию серийного стартера на номинальное напряжение 36 В по возможности с минимальными изменениями в производственном процессе. При переходе на повышенное номинальное напряжение 36В, используется метод пересчёта обмоток и параметров стартера, включающий следующие исходные условия:

> размещение новых обмоток при сохранении геометрических размеров электродвигателя серийного стартера (допускается модификация типа паза без изменения числа пазов);

> близкое соответствие выходных характеристик новой и штатной пусковых систем при сохранении частоты вращения якоря (п'т= пт), электромагнитного момента (МэМт=Мэмт), магнитного потока Фт= Фщ, МДС возбуждения £вт= плотностей тока в обмотках якоря Оат~)ат) и возбуждения (]ст=)ст) ПРИ максимуме электромагнитной мощности стартера (Рэмт= Рэм т) (Рисунок. 1) (физические величины со штрихом -параметры нового стартера на повышенное напряжение 36В);

> допускается изменение относительного угла положения щёток;

> среднее напряжение между коллекторными пластинами стартера с повышенным номинальным напряжением не должно превышать допустимого значения:

£/кср = ^ < 12.....16 В,

где К - число коллекторных пластин; р- число пар полюсов.

В главе рассмотрены две методики: обобщённая для оценочных расчётов с относительно малыми вычислительными ресурсами и уточнённая, учитывающая конструктивно-технологические аспекты.

Рисунок. 1. Электромеханические характеристики серийного стартера

(пунктирная линия) и его модификации на повышенное напряжение (сплошная линия)

Первая методика основывается на том, что геометрические размеры магнитной цепи не изменяются для стартерных электродвигателей на старое и„ и новое и'н напряжение, поэтому кривая намагничивания описывается уравнением:

Ф = —-—, (1)

где Ф- магнитный поток на два полюса;

Р„ - МДС обмотки возбуждения;

Зф, Ьф - коэффициенты аппроксимации.

Для расчета характеристик стартеров предполагается использовать коэффициент увеличения номинального напряжения определяемого как отношение величин повышенного и базового номинальных напряжений.

Пропорционально ему с учётом известных зависимостей для двигателей постоянного тока производится расчёт ЭДС, обмоточных данных и параметров новой аккумуляторной батареи (АБ).

Тип обмоток якоря стартера на 36 В подбирается из условия w'„ =1,5 \va. Данное условие не всегда может быть реализовано, например, если исходный стартер имеет одновитковую простую волновую обмотку якоря. В этом случае необходимо для нового стартера на 36 В рассматривать вариант с 1С 'а=3 и переходить на простую петлевую обмотку (ая = р). При этом, неизолированный прямоугольный провод обмотки якоря исходного стартера заменяется на эмалированный круглый провод, тип и сечение которого позволяют использование существующего технологического оборудования. Кроме того, электродвигатель стартера на 36В должен обеспечивать удовлетворительную коммутацию.

Соотношение между значениями суммарного сопротивления электростартерной системы определяется из уравнения:

R^' = K;nR^ . (2)

Соотношение между значениями сопротивлений батареи с повышенным номинальным напряжением R6' и штатной батареи R^ при условии Rm, йц= Rn имеет вид:

Яб'^Кун2 (Ra + R^-(Ra'+Rc')+KyH2R6+(KyH2-l)(Rul + R,). (3)

Расчет внутреннего электрического сопротивления аккумуляторной батареи следует выполнять с учетом тока "холодной прокрутки" по методике SAE или EN:

_(KT+Kp)-UH-(H5-Up)-Kn

-ПГ7-' ()

Л77

где Кт - коэффициент, учитывающий влияние на сопротивление батареи R6 и температуры электролита (для t = -18 °С Кт = 1);

КР - поправочный коэффициент, учитывающий сопротивление разряженной батареи (для ДСР = О, Кр = 0);

Кп - коэффициент длительности попытки пуска (для 10-ти секундной попытки пуска Кп = 1);

Up - нормируемое разрядное напряжение (принимается равным 9,0 В (DIN), 7,5В (EN) или 7,2 В (SAE)).

Если доя нового стартера выполняется условие Ra' + Rc' = Кун2 (Ra + Rc), то ток холодной прокрутки может быть найден:

ш КуН-{Кт +К,)-ин-{115-ир)-Кп + 12-1.ш{К>н +Ящу

где 1хп- ток «холодной прокрутки» базовой системы пуска, а /ш на повышенное напряжение.

Для получения более точных данных, а также с целью оптимизации способа возбуждения, обмоточных данных и выбора аккумуляторной батареи в главе рассмотрена уточнённая методика, которая состоит из следующих основных этапов:

1) определение параметров стартера в рабочей точке для заданных условий пуска двигателя;

2) определение способа возбуждения и параметров новой обмотки;

3) определение параметров новой обмотки якоря;

4) определение тока «холодной прокрутки» АБ на 36В и выбор соответствующей батареи;

5) поверочный расчёт выходных характеристик системы пуска.

По методике, представленной во второй главе, были рассчитаны две пусковые системы на повышенное напряжение:

• на основе стартера СТ-142Б1 и АБ 6СТ77АЗ для ДВС КАМАЗ 740;

• на основе стартера 7402.3708 и АБ 6СТ55АЗ для ДВС Д245.9ЕЗ.

Основные рассчитанные параметры приведены в сравнительной таблице 1.

Таблица 1 - Параметры систем пуска на 24 и 36 В

Параметр Система пуска

на базе стартера на базе стартера

СТ-142Б1 7402.3708

24 В 36 В 24 В 36 В

число активных проводников N 50 150 58 116

обмотки якоря

сопротивление обмотки якоря 0,003 0,0068 0,0052 0,0195

Яа, Ом

число витков катушки 8 12 11 17

возбуждения

сопротивление обмотки возбуждения 11с, Ом 0,0024 0,0054 0,0029 0,0146

тип АБ 6СТ- 6СТ- 6СТ- 6СТ-

190 А 77АЗ 110А 55АЗ

ток холодной прокрутки 1хп, А 1100 570 850 470

общая масса ш6, кг / % 114/100 39,6/51,2 67,4/100 45,6/67,7

общий объем, дм3 / % 60,5/ 100 33,3/55 36,54/ 100 21,14/66

В третьей главе рассматриваются вопросы выполнимости изготовления конструкции стартера по рассчитанным параметрам на заводе-изготовителе с существующим технологическим процессом. Рассмотрены способы повышения качества и удельных характеристик конечных изделий.

В частности, предложен один из способов снижения себестоимости производства стартерного электродвигателя на повышенное напряжение, за счёт применения конструкции, позволяющей отказаться от тягового реле, рычажного механизма и обгонной муфты. Предложена конструкция новой схемы привода, при которой «ввод-вывод» шестеренки стартера в зацеплении с маховиком двигателя, осуществляется посредством «винтовой пары» с магнитоэлектрическим тормозом (например, с постоянными магнитами), встроенным в крышку электродвигателя со стороны ДВС (рисунок 2). Данная конструкция защищена патентом РФ на изобретение.

Рисунок 2. Конструкция привода стартерного электродвигателя без тягового реле: 1-вал стартера, 2-якорь электродвигателя, 3-резьба, 4,7-постоянные магниты, 5-шестерня, б- гайка, 8-крыгика, Я-венец маховика

ДВС

Четвертая глава посвящена методикам расчётных и экспериментальных исследований практической реализации СГУ на АТС.

Интегрированная СГУ - это сложная электромеханическая система с микропроцессорным управлением, которая позволяет отказаться от использования стартера и генератора традиционной конструкции, и может реализовывать дополнительные функции.

Стартер-генератор предназначен для частых кратковременных режимов пуска, «подкрутки» (компенсации крутящего момента), рекуперации и продолжительной работы в режиме генератора. Разнохарактерность режимов работы СГУ, место компоновки на АТС и влияние ДВС, накладывает ряд существенных ограничений, которые необходимо учитывать при проектных работах. Поэтому, в данной главе, были подробно систематизированы и проанализированы особенности проектирования ЭМ для СГУ.

Как показывают многочисленные исследования и личный опыт автора, одним из лучших вариантов в качестве ЭМ является применение бесконтактной вентильно-индукторной машины с самоподмагничиванием (ВИМС), обладающей высокой надёжностью и удельными характеристиками, гибкостью управления, технологичностью и относительно низкой себестоимостью.

В качестве объекта теоретических и экспериментальных исследований был выбран СГУ на базе ВИМС на автомобиле УАЗ «Патриот Pickup». Измерения расхода топлива и экологических показателей АТС производился в соответствии со стандартизированным циклом движения по Правилам ЕЭК ООН №83-05. Серийный автомобиль был оборудован двигателем ЗМЗ 409.10, соответствующим экологическим требованиям ЕВРО-4. Указанный цикл движения был проанализирован на предмет зон возможной экономии топлива и улучшения экологических показателей.

Повышение эффективности АТС с СГУ, а, следовательно, и экономия топлива может быть достигнута за счёт:

> быстрых пусков ДВС и отказа от пусковых подач топлива;

> добавления крутящего момента ЭМ в двигательном режиме при разгоне АТС (режим «компенсации крутящего момента»);

> реализации функции «стоп-старт»;

> отключения генераторного режима во время разгона;

> создание момента замедления ЭМ в генераторном режиме с регулированием отбора мощности, при необходимости замедления АТС вместо использования гидравлической системы тормозов (ДВС находится в режиме принудительного холостого хода);

> рекуперации энергии при необходимости быстрого замедления.

Параметры СГУ и алгоритмы управления должны обеспечивать

практически нулевой баланс электроэнергии в испытательных и реальных циклах движения АТС, т.е. степень заряженности АБ или комбинированного ХИТ оставались практически неизменными.

Поиск наиболее эффективных режимов совместной работы ДВС с СГУ является многокритериальной задачей. Для её решения была создана эмпирическая математическая модель на основе искусственной нейронной сети, использующая экспериментальные данные стендовых испытаний работы ДВС и СГУ в двигательных режимах, и позволяющая оптимизировать алгоритмы и калибровочные параметры системы в целом. Общая структурная схема обобщённой математической модели приедена на рисунке 3.

п

Рисунок 3. Структурная схема математической модели на основе искусственной нейронной сети. Мтреб, М6ьа - требуемый и выходной крутящие моменты, п- частота вращения, Мдвстах-максималъно возможный крутящий момент ДВС на данной частоте вращения, Се-удельный эффективный расход топлива, Реьа-выходная мощность, г[эм, >1двс, Чобщнгг КПД ЭМ, ДВС и суммарный соответственно

Технологии нейронного управления отрабатывались в два этапа -имитационным моделированием и экспериментально на силовой установке с СГУ. Моделирование работы схем управления реализовано в математическом пакете «МАТЬ А В», который послужил основой для создания программного приложения, состоящего из справочной, модельной, демонстрационной и управляющей частей. Экспериментальная отработка

решений проводилась на автоматизированном моторном стенде и беговых тормозных барабанах.

В качестве основной цели моделирования выступало определение КПД силовой установки, состоящей из ДВС и СГУ, работающей в двигательном режиме на статических режимах работы по внешней скоростной характеристике.

Разработанная модель позволяет оценивать следующие основные параметры: удельный эффективный расход топлива, концентрацию СО, НС, ЫОх и КПД ДВС и СГУ в двигательном режиме, крутящий момент, частоту вращения и полезную мощность совместной работы ДВС и СГУ.

Результаты расчётного моделирования показали (рисунок 4):

• использование СГУ в двигательном режиме позволяет увеличить эффективность обобщенной силовой установки по сравнению с КПД ДВС во всём рассматриваемом частотном диапазоне;

• максимальное значение КПД силовой установки составляет -37% при частоте вращения ~ 1900 мин'1;

• наибольшая прибавка КПД наблюдается на низких частотах вращения, максимальное значение которой составляет 15.7 % (относительное изменение КПД) при —-1 ООО мин '. и уменьшается на высоких частотах, что определяется уменьшением доли крутящего момента ЭМ по сравнению с крутящим моментом ДВС. Следует отметить, что КПД ЭМ значительно увеличивается, а эффективность ДВС незначительно уменьшается при увеличении частоты вращения (рисунок 5).

Требования ЕВРО-5 (относительно ЕВРО-4) ужесточены по выбросам оксидов азота (Ж)х) в среднем на 25%, а составляющие СО и ТНС остались практически без изменений. При моделировании было установлено, что применение СГУ должно способствовать снижению выбросов 1\ЮХ, т.к. ДВС будет на 15-20% меньше работать на режимах близких к максимальным нагрузкам на которых по исследованиям ФГУП «НАМИ» образуется более 80% оксидов азота.

М, Н-м

250 200

{

150 100 50

I 1 2 { ..........1 .....................

.........1...Л...

к—«0-—»а з

! ! г ! .—о ■

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 а, мин"

Р, Вт' 60 ■

4020

12

»"Г

I 1

-НЦ—а

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 и, мин'

1—►—

¡3 ! _______

;

%

►---0-—Л---е-—< -••1-Й и—•-»•».н Ь:=5

1 ! ....... ! 1

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 п, мин *'

Рисунок 4. Результаты расчётного моделирования совместной работы ДВС

и СГУ в двигательном режиме. На графиках представлено протекание кривых крутягцих моментов (М), мощностей (Р) и КПД (ц) для ДВС(1), СГУ в двигательном режиме (3) и ДВС совместно СГУ в двигательном режиме

Рисунок 5. Относительное улучшение эффективности работы ДВС с СГУ в двигательном режиме по сравнению с КПД ДВС при работе с максимально возможными значениями крутящих моментов для каждой характерной

частоты вращения

Также была выдвинута гипотеза, что уменьшить количество ТСН и СО возможно за счёт быстрого пуска, при котором коленчатый вал ДВС раскручивается до уровня выше частоты холостого хода без пусковых подач топлива в цилиндры. Алгоритм управления ДВС предусматривает расчёт количества впрыскиваемого топлива на основании показаний датчика массового расхода воздуха, при этом смесь с сильно обеднённого состава корректируется в короткий промежуток времени до стехиометрической.

Разработанная модель использовалась при проведении экспериментальных исследований для поиска наилучших показателей по расходу топлива и выбросам токсичных ОГ.

Для выполнения баланса мощностей, и оптимизации времени работы СГУ в двигательном режиме, необходимо иметь информацию о количестве энергии в батарее накопителей энергии (БНЭ). С этой целью была разработана математическая модель статического табличного наблюдателя определения степени заряженности БНЭ, который представляет собой зависимость фактической ёмкости в А-ч, от значения напряжения, измеренного через 20-25 секунд после снятия нагрузки. Основными данными для наблюдателя заряда БНЭ является информация об их разрядных

характеристиках, определяемых экспериментальным путём, после занесения которых в математическую модель упрощается измерение израсходованной энергии и смягчаются требования к измерительной аппаратуре.

Данная модель может быть также использована для индикации информации водителю на приборной панели о степени заряженности БНЭ. После проверки адекватности данная модель использовалась при проведении экспериментальных исследований.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований:

> системы электрического пуска со стартерными электродвигателями и АБ на повышенное напряжение 36В;

> привода стартера без тягового реле, рычага и обгонной муфты;

> АТС с СГУ на тормозных беговых барабанах с целью корректировки алгоритмов работы обобщённой силовой установки.

Были проведены испытания опытных образцов стартерных электродвигателей на номинальное напряжение 36 В на базе стартеров 7402.3708 без изменения их геометрических размеров (кроме формы паза).

Испытания проводились на лабораторном нагрузочном стенде ОАО «ЭЛТРА», г. Ржев и на аналогичном стенде в ФГУП НИИАЭ. По результатам испытаний были получены электромеханические характеристики стартера на повышенное напряжение 36 В.

Сравнительный анализ со штатной системой пуска на 24 В, показал,

что:

• массогабаритные параметры аккумуляторных батарей системы пуска на 36 В приблизительно на 30% ниже аналогичных показателей штатной системы, за счёт чего расход свинца и активных материалов аккумуляторных батарей уменьшается на 27-35%;

• система пуска на 36В обеспечивает более высокую частоту прокручивания коленчатого вала двигателя, чем штатная система на 24В (при температуре -30°С и вязкости масла 6000 сСт) на 14% и обеспечивает пуск двигателя при нормируемых в ОСТ условиях;

• аккумуляторные батареи с напряжением 36 В работают с меньшей токовой нагрузкой, чем АБ штатной системы на 24В, поэтому работа новой пусковой системы будет более надежной.

Сравнение экспериментальных данных с расчётными показало их сходимость с точностью 7-10%, что позволяет сделать вывод о том, что разработанная методика может быть использована при проектировании стартерных электродвигателей на повышенное напряжение 36 В.

Для проверки работоспособности привода шестерни стартера без тягового реле, рычажной системы и обгонной муфты был изготовлен макетный образец (рисунок 6). Испытания проводились на стенде в ФГУП НИИАЭ. Результаты испытаний макетного образца показали надёжный вход и выход шестерни стартера в зацепление с маховиком и были признаны удовлетворительными.

Рисунок 6. Макетный образец стартерного электродвигателя без тягового реле, рычажного механизма и обгонной муфты

Для проверки и корректировки модели с использованием эмпирических данных совместной работы ДВС и СГУ в двигательном режиме на основе искусственной нейронной сети была разработана методика и проведены стендовые испытания, целью которых было определение значения крутящего момента и КПД СГУ для характерного диапазона скоростных режимов работы.

Испытания проводились на моторном стенде ОАО «ЗМЗ», обеспечивающем возможность поддержания заданной частоты вращения, на

следующих частотах вращения: 800, 1000, 1250, 1500, 1750, 2000, 2250, 2500 мин"1.

Эксперименты проводились для следующих режимов: ДВС работает с полностью открытой дроссельной заслонкой и ЭМ, функционирующей поочередно в двигательном и генераторном режиме при совместной работе СГУ с ДВС. В ходе исследований производилось задание требуемой установки частоты вращения вала моторного стенда, после стабилизации которой, производились измерения следующих показателей: часовой расход топлива ДВС, крутящий момент ДВС и СГУ, частота вращения, потребляемый ток и напряжение в цепи постоянного тока СГУ и т.д.

Все вышеуказанные действия повторяются для всех характерных частот вращения. На основе проведённых испытаний и полученных результатов для диапазона частот от 800 до 2500 мин1 можно сделать следующие выводы:

• СГУ в двигательном режиме имеет КПД не ниже 50%. Максимальные значения, достигающие 80%, соответствуют верхнему диапазону частот вращения;

• СГУ в двигательном режиме имеет максимальный крутящий момент 78 Н-м, что соответствует частоте вращения в 800 мин"1;

• СГУ в генераторном режиме имеет относительно низкое значение КПД, находящееся в диапазоне от 26 до 40%. Более высокие значения, достигающие уровня 72%, соответствуют верхнему частотному диапазону - от 1600 до 2500 мин'1;

• значение момента сопротивления достигает максимального уровня 20.5 Н-м на частоте вращения 1250 мин"1, что составило, примерно, девятую часть от максимального крутящего момента ДВС на этой частоте.

Еще одним этапом исследований было проведение сравнительных испытаний АТС с СГУ и без его использования.

Задачей испытаний являлось сравнение показателей серийных автомобилей и оборудованных СГУ. В качестве объекта теоретических и экспериментальных исследований был выбран на автомобиле УАЗ.

Объектом испытаний являлся СГУ на базе ВИМС, установленный на УАЗ «Патриот Pickup» (УАЗ-23632) с ДВС ЗМЗ 409 (с датчиком массового расхода воздуха) и с изменённым нейтрализатором. Сравнение показателей производилось на основе стандартного испытательного европейского городского цикла с загородной добавкой и с холодным ДВС при температуре 20-30°С на тормозных беговых барабанах.

По результатам были сделаны следующие основные выводы:

> подтверждена гипотеза о положительном влиянии быстрого пуска ДВС до частоты 900 мин"1, позволяющая использовать более точное управление подачей топлива, и как следствие снижение его расхода на 2,4%. Кроме этого, она позволяет сократить число выбросов углеводородов (ТНС) и оксидов углерода (СО) при незначительном увеличении NOx;

> комплексные калибровочные работы по настройке системы управления совместной работой ДВС и СГУ на АТС с использованием разработанной математической модели позволили добиться уменьшения расхода топлива в городском режиме до 14,8%.

По результатам исследования системы пуска с СГУ при отрицательных температурах, которые производились в климатической камере ОАО «ЗМЗ» были сделаны выводы о том, что при температуре -30°С. без средств облегчения пуска частота прокручивания превышает минимально требуемую по ОСТ на 25%. Стабильная частота 800 мин"1 за время не более 0,9 секунд обеспечивается до температуры -10°С, что гарантирует надёжный пуск и позволяет отказаться от пусковых подач топлива. В ходе испытаний было выявлено, что надёжный пуск осуществляется при температуре -35°С.

Проведенные экспериментальные исследования при помощи датчика на корпусе электрической машины показали, что СГУ вносит дополнительные вибрации различной частоты, для снижения которых необходимо применять более плавное регулирование ЭМ при переходе в двигательный или генераторный режим работы, а также ограничить пусковые обороты до 900 мин"1.

В заключении представлены основные полученные результаты и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведено обоснование перспективности применения бортовой сети с номинальным напряжением 42 В на автомобиле, одним из ключевых элементов которой, является электропусковая система.

2. Разработана обобщенная методика расчёта обмоток стартерного электродвигателя и параметров аккумуляторной батареи при переходе на повышенное номинальное напряжение, точность которой подтверждена расчетными и экспериментальными данными.

3. Системы электрического пуска на номинальное напряжение 36 В с использованием стартерных электродвигателей позволяют уменьшить массогабаритные показатели системы до 40%, повысить частоту надёжного пуска на 14-18%, и увеличить её мощность до 20%.

4. Макетный образец стартерного электродвигателя без тягового реле, рычажного механизма и обгонной муфты, способный снизить себестоимость изделий показал свою работоспособность в результате испытаний.

5. Испытания электрической пусковой системы с СГУ на двигателе ЗМЗ 409.10 показали, что при 1= -30°С без средств облегчения пуска частота прокручивания превышает минимально требуемую по ОСТ на 25%, а температура надёжного пуска составляет -35°С.

6. СГУ на основе вентильно-индукторной машины с самоподмагничиванием в двигательном режиме на ДВС ЗМЗ 40904.10 в диапазоне частот до 2500 мин'1 позволяет добавить крутящий момент на коленчатом валу, а при 800 мин'1 он достигает максимального значения 78 Н-м.

7. Применение СГУ на АТС способствует улучшению показателей топливной экономичности в городском режиме до 14,8% и уменьшению количества токсичных ОГ до уровня ЕВРО 5.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные в научных рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Феофанов С.А., Архитектура бортовой сети новых и модернизированных серийно выпускаемых грузовых автомобилей с дизельным двигателем /Ютт В.Е., Феофанов С.А. //Электроника и электрооборудование транспорта. -2006,- №3-4. -С. 20-22.

2. Феофанов С.А., Применение интеллектуальных реле в сети электрооборудования автомобиля 42В / Купеев Ю.А., Ютт В.Е., Феофанов С.А. // Электроника и электрооборудование транспорта. -2006, -№6. С.12-14.

3. Феофанов С.А., Перспективы применения напряжения 42В на борту автомобиля / Власов В.М., Ютт В.Е, Феофанов С.А. // Электроника и электрооборудование транспорта. -2007. -№1. С.10-11.

4. Феофанов С.А Расчет стартерного электродвигателя и параметров аккумуляторной батареи на повышенное номинальное напряжение 36В / Купеев Ю.А., Фещенко А.И., Феофанов С.А.// Электроника и электрооборудование транспорта. -2008. -№3. -С.7-11.

5. Феофанов С.А. Обоснование проблемы обеспечения качества стартер-генераторных установок на стадии проектирования / Козловский В.Н., Феофанов С.А.// Электроника и электрооборудование транспорта. -2008. -№5. -С.39-41.

6. Феофанов С.А. Интеллектуальные ключи нижнего уровня для автомобильного применения / Ютг В.Е., Арутюнова U.C., Феофанов С.А.// Электроника и электрооборудование транспорта. -2010. -№1. -С.19-22.

7. Феофанов С.А. Направления развития автотранспортных средств со стартер-генераторными установками/ A.C. Гришин, А.Н. Панарин, A.B. Чернов, С.А. Феофанов// Труды НАМИ / ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ». -М.,2012.-№251,- С.38-47

Публикации в других изданиях:

8. Феофанов С.А. Тенденции развития электропусковой системы и системы электроснабжения в автомобилях / Марсов В.М., Фещенко А.И., Феофанов С.А.// Сборник научных трудов «Новые технологии в автоматизации управления». МАДИ (ГТУ). -М. -2007.-С.58-61.

9. Феофанов С.А. Устройство включения привода автомобильного стартера и электрических машин с постоянными магнитами / Бухтеев П.И., Феофанов С.А. //Патент РФ №RU 2 410 584 Cl. - 2011.

Ю.Феофанов С.А. Развитие бортовой сети автомобилей за рубежом/ Ютг В.Е., Феофанов С.А. // Труды Н-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии». Часть 2. ТГУ. -Тольятти. 2007.-С. 122-125.

Феофанов Сергей Александрович Электрические пусковые системы в бортовой сети электрооборудования автомобилей с номинальным напряжением 36 Автореф. дисс. на соискание учёной степени кандидата технических наук.

Подписано в печать: 03.04.14 Тираж: 100 экз. Заказ № 1094 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект, д. 74 (495)790-47-77; www.reglet.ru

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО - ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

УДК 62-843.4 На правах рукописи

04201457766

Феофанов Сергей Александрович

Электрические пусковые системы в бортовой сети электрооборудования автомобилей с номинальным

напряжением 36 В

Специальность 05.09.03 -Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ютт В.Е.

МОСКВА 2014

Список принятых сокращений...............................................................................5

Введение...................................................................................................................6

1. Современная архитектура бортовой сети автомобиля с номинальным напряжением 36 В.................................................................................................11

1.1. Тенденции развития электрооборудования автомобилей...................11

1.2. Проблемы современного электрооборудования автомобилей и варианты их решения............................................................................................19

1.3. Архитектура сети автомобиля с напряжением 42 В.............................21

1.4. Электрическая пусковая система в бортовой сети автомобиля с номинальным напряжением 36 В........................................................................36

Выводы по главе:............................................................................................50

2. Методика проектирования стартерного электродвигателя на повышенное номинальное напряжение.....................................................................................51

2.1. Основные положения...............................................................................51

2.2. Требования к системе электростартерного пуска.................................52

2.3. Исходные данные для проектирования.................................................54

2.4. Теоретические основы пересчета обмоточных данных электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения при переходе на повышенное номинальное напряжение.........................................55

2.5. Условия пересчета штатного стартера на его модификацию с повышенным номинальным напряжением.........................................................58

2.6. Обобщенная методика пересчета обмоток стартерного электродвигателя и параметров аккумуляторной батареи при переходе на повышенное номинальное напряжение..............................................................60

2.7. Уточнённая методика пересчета обмоток штатного стартера и определения параметров аккумуляторной батареи для системы пуска на напряжение 36 В....................................................................................................68

2.8. Основные результаты расчётной апробации методики определения параметров стартера и аккумуляторной батареи для системы пуска на номинальное напряжение 36 В............................................................................76

Выводы по главе:............................................................................................79

3.Технологические и конструктивные изменения при проектировании электрических машин пусковой системы автомобиля на повышенное напряжение............................................................................................................80

3.1.Технологические и конструктивные выполнимости стартера на 36 В 80

3.2.Конструкция стартерного электродвигателя с механизмом включения приводной шестерни без тягового реле, рычажного механизма и муфты свободного хода.....................................................................................................88

3.3. Основы конструкции и принципа действия вентильной индукторной электрической машины с самоподмагничиванеим для стартер-генераторной установки................................................................................................................92

3.4. Особенности проектирования СГУ на АТС..........................................99

Выводы по главе:..........................................................................................104

4. Разработка математической модели совместной работы ДВС и стартер-генераторной установки.....................................................................................105

4.1. Анализ способов повышения топливной экономичности и экологических показателей автомобильных транспортных средств со стартер-генераторными установками..............................................................................105

4.2. Разработка эмпирической модели совместной работы ДВС и СГУ в двигательном режиме на основе искусственной нейронной сети.................112

4.3.Результаты аппроксимирования экспериментальных данных при помощи математической модели на основе нейронной сети.........................127

4.4. Результаты математического моделирования совместной работы ДВС и СГУ....................................................................................................................131

4.5. Разработка статического табличного наблюдателя определения степени заряженности батарей накопителей энергии.....................................134

Выводы по главе:..........................................................................................138

5. Экспериментальные исследования электрических пусковых систем в с номинальным напряжением...............................................................................139

5.1. Исследования системы пуска на базе стартерного электродвигателя с электромагнитным возбуждением.....................................................................139

5.2. Экспериментальные исследования привода стартера без тягового реле ...............................................................................................................................144

5.3.Исследования пусковых качеств двигателя ЗМЗ 40904.10 с интегрированной стартер-генераторной установкой......................................145

5.3.Определение статических характеристик СГУ при совместной работе с ДВС....................................................................................................................151

5.4. Экспериментальные исследования применения СГУ на экологические показатели и расхода топлива АТС...................................................................155

5.5. Определение разрядной характеристики накопителя энергии с целью реализации статического наблюдателя заряда.................................................164

Выводы по главе:..........................................................................................166

Основные результаты и выводы по работе:.....................................................168

Используемые источники информации............................................................169

Список принятых сокращений

АБ аккумуляторная батарея

АТС автомобильные транспортные средства

АТЭ и автотракторное электрооборудование и

АЭ электроника

БНЭ батарея накопителей энергии

БУ блок управления

ВАХ вольт-амперная характеристика

ВИМ вентильно-индукторная машина

ВИМС вентильно-индукторная машина с самоподмагничиванием

ДВС двигатель внутреннего сгорания

ЕНЭ ёмкостной накопитель энергии

ИНС интеллектуальная нейронная сеть

КП коробка передач

КПД коэффициент полезного действия

КЭУ комбинированные энергетические установки

МДС магнитодвижущая сила

ПМ постоянные магниты

ПХХ принудительный холостой ход

ОГ отработавшие газы

ОЯ обмотка якоря

ОВ обмотка возбуждения

САУ система автоматического управления

СГУ стартер генераторная установка

СУ соединительное устройство

ТЗ техническое задание

УОЗ угол опережения зажигания

ХИТ химический источник тока

х/х холостой ход

ЭДС электродвижущая сила

ЭМ электрическая машина

OEM original equipment manufacturer

автомобильная

Введение

Актуальность темы исследования

Тенденции мирового автомобилестроения направлены на повышение безопасности, топливной экономичности, потребительских качеств автотранспортных средств (АТС) при одновременном снижении наносимого экологического вреда от их использования.

Ужесточающиеся требования к АТС стимулируют постепенное внедрение электрических и мехатронных систем с общим сетевым микропроцессорным управлением, позволяющих оптимизировать способы и законы управления исполнительными механизмами и повысить КПД устройств до 0,75...0,9, вместо существующих 0,25...0,4 у механических. Увеличение числа систем электрооборудования и электроники приводит к ежегодному общему росту мощности потребителей в бортовой сети АТС.

Бортовая сеть легковых и грузовых автомобилей при напряжении 14 В и 28В соответственно близка к своему пределу по токовым нагрузкам и условиям коммутации. Поэтому производители АТС ведут работы по переводу части энергоёмких систем на повышенное номинальное напряжение 42 и 48В, относительно безопасное для человека при однопроводной схеме проводки электрооборудования.

Одной из самых энергоёмких систем, перевод которой на повышенное напряжение может дать большой технико-экономический эффект, является система пуска. В бортовой сети с повышенным напряжением возможно применение стартеров классической конструкции с изменёнными обмоточными данными, а также стартер-генераторных установок (СГУ), использование которых значительно расширяет функциональные возможности системы пуска, повышает её эффективность и способствует улучшению экологических показателей и топливной экономичности.

Актуальность работы определяется тем, что она направлена на решение проблемы перевода системы пуска на повышенное напряжение с учётом

конструктивно-технологических параметров серийных изделий с целью снижения затрат при внедрении, а также на исследование совместной работы СГУ с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС) для АТС с общей снаряжённой массой до 3,5 тонн.

Целью настоящей работы является создание методов расчётного, теоретического и экспериментального исследований электрических пусковых систем ДВС на повышенное номинальное напряжение, в том числе с СГУ.

В рамках поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Разработка методики проектирования стартерного электродвигателя на повышенное номинальное напряжение с учётом конструктивно-технологических параметров серийных изделий с целью минимизации себестоимости производства.

2. Разработка привода стартера без тягового реле, рычажного привода и обгонной муфты с целью повышения массо-габаритных показателей и снижения себестоимости.

3. Разработка эмпирической модели совместной работы ДВС и СГУ в двигательном режиме на основе искусственной нейронной сети.

4. Разработка статического табличного наблюдателя заряда химического накопителя энергии на основе информации о напряжении разомкнутой цепи.

5. Разработка алгоритмов управления СГУ на основе вентильно-индукторного двигателя с самоподмагничиванием, их корректировка по результатам испытаний.

6. Теоретические и экспериментальные исследования поиска наилучшей стратегии управления совместной работой ДВС с СГУ в различных режимах с целью повышения топливно-экономических и экологических свойств АТС.

Методы и методология исследований

При решении задач использованы современные математические методы, основные положения электротехники, электропривода, технологии производства электрических машин, теорий автоматического управления и автомобиля. Расчётные исследования алгоритмов работы СГУ и статического

наблюдателя уровня заряда проведены на основе статических моделей, реализованных на базе математического пакета "МАТЬАВ". Расчётные исследования были подтверждены экспериментальными данными, полученными в результате испытаний, в том числе, на примере изготовленных опытных образцов по описанным в работе методикам. Экспериментальные исследования проводились в современных лабораториях ОАО «ЗМЗ» г.Заволжье, ФГУП НИИАЭ г.Москва и заводе ОАО «Элтра» г.Ржев, оснащённых современным измерительным оборудованием.

Объектом исследования являлись основные компоненты традиционной системы электрического пуска для АТС классической конструкции и с применением СГУ.

Достоверность результатов обеспечена использованием современных математических методов и средств моделирования, применением оборудования и приборов с соблюдением государственных стандартов, а также адекватностью результатов расчётных и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы:

1. Разработана и экспериментально проверена обобщенная методика пересчета обмоток стартера и параметров аккумуляторной батареи при переходе на повышенное номинальное напряжение при сохранении геометрических размеров серийного электродвигателя.

2. Разработан новый метод построения приводного механизма стартерного электродвигателя независимо от способа его возбуждения.

3. Разработана эмпирическая математическая модель на основе искусственной нейронной сети, использующая экспериментальные данные стендовых испытаний работы ДВС и СГУ в двигательных режимах, позволяющая повысить эффективность их совместной работы.

4. Разработана математическая модель на основе статического табличного наблюдателя с использованием эмпирических данных для

определения степени заряженности и фактической ёмкости комбинированных химических источников энергии.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при выполнении работ, связанных с созданием бортовой сети с повышенным номинальным напряжением перспективных транспортных средств, в том числе с СГУ. Результаты работы, включая разработанные аппаратно-программные средства, по практическому исследованию электропусковых систем на повышенное напряжение использованы во ФГУП НИИАЭ, ФГУП «НАМИ», ОАО «ЗМЗ», ОАО «УАЗ», а также в научно-исследовательских разработках и учебном процессе кафедры «Электротехника и электрооборудование» МАДИ и МГМУ МАМИ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Обобщенная методика пересчета обмоток стартерного электродвигателя и параметров аккумуляторной батареи при переходе на повышенное номинальное напряжение с учётом конструктивно-технологических параметров.

2. Программные средства, обеспечивающие повышение эффективности совместной работы ДВС и СГУ.

3. Расчетные и экспериментальные исследования электрической пусковой системы на основе стартерных электродвигателей и АБ на повышенное номинальное напряжение 36В.

4. Конструкция стартерного электродвигателя с механизмом включения приводной шестерни без тягового реле, рычажного механизма и муфты свободного хода.

5. Расчётные и экспериментальные исследования системы пуска с использованием стартер-генераторной установки на АТС со снаряжённой массой до 3,5 тонн с бензиновым ДВС.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

И-ой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», ТГУ, г. Тольятти, 2007 г.;

- 8-ом Международном автомобильном научном форуме «Развитие национальной базы НИОКР», НИЦИАМТ ФГУП "НАМИ", г.Дмитров, 2010 г.;

- на 10-й Международной конференции «Дни науки» университета Лаузитц, г.Лаузитц, Германия, 2010 г.;

- 75-ой научно-технической конференции «Перспективы развития автомобилей, развитие транспортных средств с альтернативными энергоустановками». ОАО «АВТОВАЗ», г. Тольятти, 2011 г.;

- Международной молодёжной конференции «Энергоэффективный автомобильный транспорт будущего», МГМУ «МАМИ», г. Москва, 2012 г.;

64-72-ой научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ, г. Москва, 2005 - 2014 гг.

Публикации

Основные положения и результаты исследований опубликованы в двух тезисах докладов на международных научных конференциях, 10-и печатных работах, в том числе, семь - в изданиях, включенных в перечень рекомендованный ВАК. Получен один патент на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, трёх актов внедрения. Общий объем работы 185 страниц, включая таблицы и рисунки. Библиография содержит 155 наименований.

1. Современная архитектура бортовой сети автомобиля с номинальным напряжением 36 В

1.1. Тенденции развития электрооборудования автомобилей

В конце 60-х годов переход с 12 на 24 В был осуществлен, в первую очередь, с целью обеспечения надежного пуска дизельных двигателей грузовых автомобилей и возможности использовать более мощные потребители электроэнергии. Этот переход был осуществлен путем проектирования и освоения производства новых изделий и систем электрооборудования на повышенное напряжение с 12 В до 24 В [23,24]. При этом не были решены вопросы требуемого обеспечения надежности ряда изделий, в первую очередь, систем освещения и др.

Классическая 28 В бортовая сеть автомобилей, принципиальная блок-схема которой представлена на рисунке 1, с генератором переменного тока и аккумуляторной батареи (АБ)1 на номинальное напряжение 24 В обеспечивает электроснабжение всех систем электрооборудования и электроники автомобилей. Неотъемлемой частью сети электрооборудования является электропроводка, соединяющая потребители с источниками электроэнергии, а также комплекс защитной и коммутационной аппаратуры.

В соответствии с тенденциями мирового автомобилестроения по повышению безопасности и потребительских качеств, при одновременном снижении наносимого экологического вреда и расхода топлива автотранспортными средствами (АТС), передовыми

автомобилестроительными фирмами, совместно с электротехническими компаниями и производителями автокомпонентов приняты программы по созданию и внедрению в производство автомобилей, отвечающ�