автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Энергетическая и топливная эффективность автомобилей с гибридной силовой установкой

На правах рукописи

Г

004610091

Сидоров Кирилл Михайлович

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И ТОПЛИВНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АВТОМОБИЛЕЙ С ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010

~ 7 О ИТ ?010

004610091

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

Научный руководитель Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Ютт Владимир Евсеевым

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор

Эйдинов Анатолий Алексеевич

Кандидат технических наук, профессор Малеев Руслан Алексеевич

Ведущая организация Открытое акционерное общество

«Научно-производственное предприятие «Квант»

Защита состоится «19» октября 2010 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.05. при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу:

125319, г. Москва, Ленинградский проспект, 64

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ. Текст автореферата размещен на сайте Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ): vzww.msdi.ru

Автореферат разослан «17» сентября 2010 г.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес совета института и по электронной почте uchsovet@madi.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент оАи Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Установившиеся на протяжении последних десятилетий высокие темпы автомобилизации с каждым годом все больше обостряют проблему возрастающего потребления углеводородных источников энергии. Автомобильный транспорт в настоящее время является одним из основных потребителей нефтяных ресурсов, на его долю приходится около 50 % всего объема нефтедобычи. Увеличение объемов использования углеводородного топлива сопровождается ухудшением экологической обстановки как в масштабе отдельных городов, так и во всем мире.

В связи с этим, применение транспорта с высокими показателями топливной экономичности и экологической безопасности, а также усовершенствование находящихся в эксплуатации традиционных автотранспортных средств (АТС), может явиться одним из наиболее эффективных средств улучшения сложившейся топливно-энергетической и экологической ситуации.

Наряду с другими возможными способами решения данной проблемы, такими как совершенствование конструкции двигателей внутреннего сгорания (ДВС), использование альтернативного топлива (в том числе биотоплива и природного газа), особо следует выделить применение гибридных (комбинированных) силовых установок (ГСУ) на транспортных средствах.

Сочетание на автотранспортном средстве ДВС, электрической машины с системой преобразования электрической энергии и управления, а также буферного накопителя энергии позволяет обеспечить функционирование силовой установки таким образом, чтобы избежать неблагоприятных (с точки зрения энергетической эффективности) режимов работы, как двигателя внутреннего сгорания, так и электрической машины, реализуя высокую эффективность всей системы.

Актуальность этой темы давно признана во многих промышленно-развитых странах, где существуют обширные национальные программы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по автомобилям с ГСУ, уже налажено серийное производство данного вида АТС. Развитию работ в этом направлении способствует постоянное ужесточение норм по выбросам вредных веществ, реализация которых уже невозможна путем дальнейшего совершенствования традиционных конструкций АТС.

В России в последние годы также отмечается активизация работ по созданию и внедрению автотранспортных средств нового поколения. Проблемами разработки и создания электромобилей и АТС с ГСУ занимались и продолжают заниматься ряд российских ученых: Б.И.Петленко, Е.И.Сурин, А.А.Ипатов, А.А.Эйдинов, В.Е.Ютт,

Б.Э.Павлушков, С.В.Бахмутов, В.В.Селифонов, Б.Я.Черняк, Ю.А.Купеев, В.Ф.Кутенев, В.Ф.Каменев, Л.Ю.Лежнев, И.П.Ксеневич, Д.Б.Изосимов и многие другие. Решению вопросов в данной области посвящены диссертационные работы, выполненные в МАДИ, ФГУП «НАМИ», МГТУ «МАМИ», МЭИ и др.

В настоящее время в ряде научных институтов страны созданы и испытаны образцы АТС с ГСУ. Однако, несмотря на этот факт, в данной области остается много нерешенных вопросов, отсутствует устоявшаяся методика определения и расчета параметров комбинированной энергетической системы автомобиля, нет четкой картины наиболее эффективной организации совместной работы компонентов энергоустановки. Применяемые при исследованиях математические модели АТС, как правило, направлены на детальную проработку одного из компонентов ГСУ, при этом значения остальных ключевых составляющих упрощаются.

ГСУ транспортного средства представляет сложную систему устройств, находящихся в тесной взаимосвязи и функционирующих как единое целое. Поэтому подход к вопросу определения рациональной стратегии управления ГСУ, параметров ее основных узлов должен быть также системным, учитывающим целый ряд характеристик и условий. В связи с этим, разработка действительно эффективного в эксплуатационном отношении транспортного средства с гибридной силовой установкой возможна посредством целостного исследования и определения энергетической и топливной эффективности разрабатываемого АТС и стратегии управления ГСУ.

Цель и основные задачи исследования

Целью настоящей работы является разработка методики и средств исследования энергетической системы автомобиля с гибридной силовой установкой, основанных на математическом моделировании работы основных компонентов ГСУ.

В рамках поставленной цели настоящей диссертационной работы решаются следующие задачи:

- анализ существующих разработок АТС с ГСУ и применяемого силового оборудования в их составе;

- разработка комплексной математической модели АТС с ГСУ;

- исследование энергетических показателей и определение рациональных режимов работы основных компонентов ГСУ транспортного средства;

- разработка алгоритма выбора рационального режима работы гибридной силовой установки;

- разработка метода оценки энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ;

- расчет и сравнение показателей эффективности АТС с ГСУ последовательной и смешанной структур;

- разработка базовой методики определения и расчета параметров основных компонентов ГСУ транспортного средства.

Методы исследований. При решении задач использованы современные математические методы теоретической электротехники, теории электромеханического преобразования энергии, основные положения теории автомобиля, ДВС и математического моделирования динамических процессов в сложных нелинейных системах.

Научная новизна. Разработана комплексная математическая модель, включающая полный состав основных компонентов ГСУ транспортного средства и учитывающая нелинейность показателей энергетической эффективности системы тягового электрооборудования, в том числе аккумуляторной батареи и электрической машины. Разработанная обобщенная модель позволяет проводить оценку эффективности реализации на транспортном средстве различных схем гибридных силовых установок (последовательной, параллельной, смешанной) и алгоритмов работы последней, а также дать рекомендации по выбору характеристик основных компонентов ГСУ.

На защиту выносятся:

- комплексная математическая модель АТС с ГСУ, включающая модели асинхронной электрической машины с системой преобразования электрической энергии и управления, аккумуляторной батареи, расчета показателей работы ДВС, устройства сопряжения и распределения мощности силовых агрегатов;

- метод исследования энергетических показателей основных компонентов ГСУ транспортного средства;

- алгоритм выбора рационального режима работы ГСУ транспортного средства;

- метод оценки энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ;

- результаты расчета и сравнения показателей эффективности АТС с ГСУ последовательной и смешанной структур;

- базовая методика расчета и определения параметров основных компонентов ГСУ транспортного средства.

Достоверность результатов обеспечена использованием современных математических методов, согласованным сравнительным анализом результатов расчетных и экспериментальных исследований.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Результаты работы, в том числе методика исследования энергетической системы транспортных средств с ГСУ, использованы при выполнении работ, связанных с разработкой АТС с ГСУ в ОАО «НПП «Квант», ФГУП «НАМИ», а также в учебном процессе в МАДИ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

- 46-ом международном симпозиуме «Электроника и электрооборудование транспорта. Проблемы и пути решения», г.Суздаль, июнь 2008;

- Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», г.Тольятти, 12-15 мая 2009;

- Научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ, г. Москва, 2008 - 2010 гг.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, в том числе две публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 104 наименования и 6 приложений. Содержит 173 страницы текста, 62 рисунка, в том числе графики, 26 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, определены цель и основные задачи исследования, дана общая характеристика работы.

В первой главе освещены основные проблемы автотранспортного комплекса, проведен обзор существующих разработок легковых автомобилей и автобусов с ГСУ, выполнен анализ реализуемых схем энергоустановок данных АТС, типа и характеристик используемого силового оборудования, также рассмотрены проблемы энергетической эффективности АТС с ГСУ в различных условиях движения.

Автомобильный транспорт в настоящее время занимает лидирующее положение в части потребления углеводородных источников энергии. За последние два десятилетия темпы потребления нефтяных ресурсов транспортным комплексом увеличились более чем на 40 %.

Возрастающее потребление углеводородного топлива на транспорте главным образом связано со следующими основными факторами:

- высокий уровень и темпы автомобилизации;

- эксплуатация АТС с низкими показателями топливной экономичности;

- большая доля режимов движения, отличающихся работой силовой установки транспортного средства с низкой энергетической эффективностью.

Несмотря на тот факт, что по мере совершенствования традиционных конструкций АТС на основе ДВС улучшаются показатели их топливной экономичности, в данной тенденции намечается своего рода стабилизация и можно утверждать, что дальнейшее снижение показателей расхода топлива зависит от реализации новых решений, в частности применения гибридных силовых установок.

К автомобилям с ГСУ относятся АТС имеющие, как минимум, два различных источника и преобразователя энергии, необходимые для обеспечения движения. Таким образом, конструкции транспортных средств с ГСУ можно классифицировать по двум основным признакам:

- по энергетическому обеспечению, т.е. по типу применяемых источников и преобразователей энергии;

- по структуре и схеме взаимодействия основных компонентов ГСУ (последовательная, параллельная, смешанная).

Результаты эксплуатации автомобилей с гибридными силовыми установками свидетельствуют о более низких значениях расхода топлива в сравнении с традиционными автотранспортными средствами, кроме того данные автомобили способны обеспечивать выполнение перспективных норм экологической безопасности на транспорте, включая снижение выбросов токсичных веществ в атмосферу и транспортного шума. Наряду с указанными достоинствами АТС с ГСУ необходимо отметить и более высокие затраты на производство данного вида транспорта, связанные со стоимостью дополнительных компонентов энергоустановки.

Из анализа характеристик АТС с ГСУ, находящихся в серийном производстве, можно сделать вывод, что в настоящее время наиболее распространены конструкции ГСУ, в которых сочетаются двигатель внутреннего сгорания, буферная аккумуляторная батарея (АБ) и одна или две электрические машины.

При рассмотрении топливно-экономических характеристик автомобилей необходимо указать, что преимущество в расходе топлива АТС с ГСУ по отношению к аналогичному по типу и массе традиционному АТС существенно уменьшается в условиях эксплуатации, свойственных загородным трассам. Поэтому энергетическую и топливную эффективность АТС с ГСУ необходимо рассматривать в связи с условиями движения.

В качестве средства, которое позволит оценить результативность различных схем ГСУ на транспортном средстве, определить и изучить необходимые мероприятия по организации эффективной работы компонентов энергоустановки, в настоящей работе разработана комплексная математическую модель АТС с ГСУ.

Вторая глава диссертации посвящена описанию комплексной математической модели транспортного средства с ГСУ. Данная модель представляет совокупность связанных между собой отдельных компонентов ГСУ, каждый из которых реализован на основе аналитических зависимостей или массивов экспериментальных данных. Разработанная комплексная математическая модель включает в себя отдельные подмодели ключевых узлов энергоустановки АТС, том числе:

- модель электрической машины (электродвигателя-генератора (ЭДГ) и электрогенератора-двигателя (ЭГД);

- модель батареи накопителей энергии (БНЭ);

- модель системы преобразования электрической энергии и управления тяговым электрооборудованием (БПУ);

- модель расчета показателей работы ДВС;

- модель устройства механического сопряжения и распределения мощности агрегатов ГСУ (УМС);

- модель системы управления ГСУ;

- модель автомобиля для определения сил сопротивления движению и расчета требуемых тяговых усилий на ведущих колесах (ВК) и агрегатах ГСУ.

Структурная схема предлагаемой обобщенной модели ГСУ АТС изображена на рис.1, где БСК - блок силовой коммутации; ТР -тормозной реостат.

........ электрическая связь Вал ГСУ

Рис. 1. Структурная схема обобщенной модели ГСУ транспортного

средства

Данная схема, представляющая смешанную структуру ГСУ, позволяет проводить оценку энергетической и топливной эффективности АТС при различных режимах работы энергоустановки.

Применительно к описанной схеме, электрические машины и АБ в совокупности с устройствами преобразования электроэнергии и управления образуют систему тягового электрооборудования (СТЭО). Схема модели СТЭО, реализованной в настоящей работе, изображена на рис.2.

ллА ФП ШИМ

ЗЦ

Сигналы ДОС

т~

Гт"

АБ

' 'бнэ

К/

_ ИТ

*—гёА:

Члдг+и^

пн

Мс

Мс

ИБ

—^¡Йн}-* иЛ

Рис. 2. Функциональная схема обобщенной модели системы тягового электрооборудования АТС с ГСУ

Обобщенная модель СТЭО содержит:

- модель асинхронной электрической машины с короткозамкнутым ротором (АМ);

- модель силового преобразователя напряжения (трехфазного автономного инвертора) (ПН);

- модель аккумуляторной батареи (АБ);

- блок задания цикла движения АТС (ЗЦ);

- систему управления инвертором, включающую формирователь управляющего сигнала - функциональный преобразователь (ФП) с входными сигналами датчиков обратной связи (ДОС) и блок широтно-импульсной модуляции (ШИМ);

- блок вычисления момента сопротивления (Мс) на валу ГСУ (электродвигателя-генератора) в зависимости от характеристик и скорости движения транспортного средства (Уа);

- блоки обмена данными и измерительные блоки параметров АМ (ИБ); измерители тока (ИТ) и напряжения (ИН).

Основными исходными данными для модели СТЭО АТС с ГСУ являются:

- технические характеристики базового транспортного средства;

- параметры схемы замещения АМ;

- характеристики аккумуляторной батареи (тип, номинальное напряжение, зарядно-разрядные характеристики, КПД при заряде и разряде);

- стандартизированный ездовой цикл или произвольный график изменения скорости движения транспортного средства от времени.

Модель ЭДГ основана на системе уравнений электромеханического преобразования энергии в асинхронной машине с короткозамкнутым ротором (1) и применении метода преобразования трехфазной системы координат с помощью результирующего пространственного вектора.

сШ

* ха

Л

Ф

¿1 сН>

га

Л Л

■V

-,-к^+к^ + соХс

(1)

ш

где к\...к\ъ - постоянные коэффициенты, определяемые параметрами электрической машины; иш, - напряжения на обмотках статора в системе координат а и (3\ Ч^, Уто, Ч'^ - потокосцепления обмоток статора и ротора в системе координат а и /3; М - электромагнитный момент АМ; Мс - момент сопротивления на валу АМ; со,. - угловая скорость вращения ротора.

Автоматическое регулирование частоты вращения вала АМ в данной модели осуществляется посредством сравнения фактической частоты вращения вала и заданной. Ошибка регулирования в данном случае служит сигналом корректировки величины и частоты напряжения статора.

Самостоятельным элементом в схеме СТЭО является модель аккумуляторной батареи. Ее основа - уравнение Шеферда, описывающее напряжение разряда:

в

Е = к ■■

-■1 - Я-1 + А- е е - С • / • /;

(2)

б-/-'

где £5 - начальное напряжение разряда, В; к - коэффициент поляризации, Ом; Я - внутреннее сопротивление элемента, Ом; £) -емкость аккумулятора, А-ч; I- ток разряда, А; г - время разряда, ч; А, В, С-эмпирические коэффициенты.

Учет эффективности преобразования энергии в ГСУ является необходимым условием при исследовании энергетической и топливной эффективности транспортного средства, при этом значения КПД отдельных компонентов силовой установки непостоянны и зависят от различных факторов. Так эффективность заряда (разряда) аккумуляторной батареи является функцией нескольких параметров, основные из них - это мощность заряда (разряда) и степень заряженности батареи.

Методика оценки эффективности использования энергии в СТЭО на транспортном средстве с ГСУ сводится к определению баланса электрической энергии АБ в цикле движения транспортного средства, при этом реализуемая энергия АБ рассчитывается согласно выражению

^Жиом-£н-1ГР+Щ, (3)

где 17кои. - номинальное значение энергии полностью заряженной АБ, Вт-ч; ен - начальное значение степени заряженности батареи, %; IV?-энергия, отданная батареей при разряде, Вт-ч; - энергия, полученная батареей при заряде, Вт-ч. В случае АТС с ГСУ расчет баланса электрической энергии АБ в цикле необходим для объективной оценки расхода топлива.

Конечным результатом, определяющим баланс электрической энергии АБ в цикле движения АТС, является график изменения энергии батареи \УЪ во времени и итоговое значение ЖБ.

Важнейшим показателем работы СТЭО, определяющим режим работы ГСУ, является степень заряженности аккумуляторной батареи. Данный показатель определяется на каждом шаге расчета согласно выражению:

е = юо%. (4)

Г к

' НОМ

Моделирование работы двигателя внутреннего сгорания в составе ГСУ в настоящей работе основано на расчете показателей расхода топлива по экспериментальным многопараметровым характеристикам, представляющим зависимость удельного расхода топлива от крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала ДВС. Следует отметить, что модель ДВС формируется для определенного типа двигателя и позволяет рассчитывать значения израсходованного топлива и выбросов загрязняющих веществ во всем диапазоне его допустимой работы. В рамках диссертационной работы рассматривались несколько вариантов ДВС, в том числе ВАЗ-1111, ВАЗ-2112, ЗМЗ-406.2.

Масса израсходованного топлива тт за время работы ДВС определяется в соответствии с многопараметровыми характеристиками по мгновенным значениям удельного расхода топлива г/кВт-ч) и мощности (Л'двс, кВт) ДВС:

ю

н

Предлагаемая математическая модель расчета показателей работы ДВС используется при оценке расхода топлива и экологических показателей транспортных средств как с ГСУ, так и традиционных АТС.

Особенностью смешанной структуры ГСУ является использование ДВС непосредственно для привода ведущего моста (ВМ). При этом в данной схеме ГСУ реализуется также совместная работа ДВС и электрической машины на ВМ. Учитывая данные функциональные возможности, в составе энергоустановки необходимо устройство, которое осуществляет механическое сопряжение валов ДВС, ЭДГ и вала ГСУ, а также распределяет потоки мощности между ними.

Функциональная схема устройства механического сопряжения и распределения мощности агрегатов гибридной силовой установки (УМС), реализованная в предлагаемой обобщенной модели АТС изображена на рис. 3.

Рис. 3. Схема реализации механического сопряжения и распределения мощности агрегатов ГСУ

Исходными данными для модели УМС являются характеристики транспортного средства и параметры заданного цикла движения. Принцип работы модели УМС заключается в:

- определении требуемых значений частоты вращения и крутящего момента на валу ГСУ (я'гсу. мгсу) и соответствующих им требуемых значений частоты вращения и момента на валу ЭДГ и ДБС (М*эдг> я*эдг И Мдвс, пдве);

- расчете фактических значений частоты вращения и момента на валу ЭДГ, ДВС и ГСУ с использованием соответствующих математических моделей (см. рис.3).

Систему выражений, поясняющую распределение крутящего момента между ДВС и ЭДГ можно записать в следующем виде:

М'злг = ¿V

М' гсу

гэдг' Пуме

1л 1 \ М гсу М ДВС =(1-ЛумсГ":-;

'две' Луыс

при этом выполняется следующее соотношение:

М'ГСУ = Т]шс ■ (м'две • /дас + М'эдг • гэдг), (7)

где ^уМс - КПД устройства механического сопряжения и распределения мощности агрегатов ГСУ; /ДВс - передаточное число между валом ДВС и ГСУ; ¿эдг - передаточное число между валом ЭДГ и ГСУ; куме - коэффициент распределения мощности между ДВС и ЭДГ.

Коэффициент куме может принимать значения от 0 до 1, при этом значению кумс=0 соответствует работа на ведущий мост только ДВС, который в данном случае реализует полностью требуемый момент Мгсу- При /:умс=1 имеет место работа только ЭДГ на ведущий мост. Промежуточные значения коэффициента ¿уме определяют распределение крутящего момента при совместной работе ДВС и ЭДГ на колеса. Изменение коэффициента куме является ключевым моментом при реализации той или иной стратегии управления ГСУ.

Описанные математические модели могут быть использованы как в совокупности - для моделирования движения АТС с ГСУ, так и по отдельности - для исследования электромобилей и традиционных автомобилей.

В третьей главе работы проведено исследование энергетических показателей электромобиля (ЭМ) и традиционного автомобиля, при этом в качестве объекта исследований выбран автомобиль ГАЗ-2705 «Газель» с ДВС ЗМЗ-406.2.

Для повышения топливной экономичности транспортного средства и реализации рациональной стратегии управления ГСУ необходимо иметь представление об эффективных режимах работы ДВС и СТЭО. В качестве способа решения данной задачи в настоящей работе посредством разработанных математических моделей проведено исследование энергетических показателей электромобиля и традиционного автомобиля в различных условиях движения.

Моделирование движения ЭМ в данном случае дает возможность определить основные энергетические показатели различных условий движения АТС, осуществлять поиск рационального значения передаточного числа трансмиссии, а также сформировать предварительные требования к составу и характеристикам ГСУ.

Моделирование движения ЭМ на базе автомобиля ГАЗ-2705 осуществлялось в условиях стандартизированных ездовых циклов -

европейских городского (ЕСЕ) и загородного (ЕШС) согласно Правилам №83 ЕЭК ООН, а также некоторых циклов США, приближенных к реальным условиям движения ЫУСС и ?1Р72. При этом определялись такие основные показатели работы СТЭО и ЭМ как: фактические скорость движения и ускорение (замедление) АТС; частота вращения ротора; электромагнитный момент АМ; потребляемая и полезная мощности АМ; токи статора и ротора; ток и напряжение аккумуляторной батареи; энергетические показатели, в том числе расход электрической энергии АБ, энергия рекуперации, реализуемая емкость АБ и др.

Получаемые расчетные данные представляются в виде временных зависимостей, мгновенные значения которых определяются с заданной дискретностью на каждом шаге моделирования. Основные результаты исследования сведены в табл.1. Примеры получаемых выходных характеристик модели СТЭО для движения ЭМ на третьем участке цикла ЕСЕ представлены на рис. 4-5.

Таблица 1

Параметры контрольных циклов и результаты моделирования движения ЭМ __на базе автомобиля ГАЗ-2705 с полной массой 3,5 т_

Параметр Контрольный цикл

ЕСЕ ^СС ЯТР75 ЫЕйС

Средняя скорость движения, км/ч 19 11,4 34 33,5

Максимальная скорость в цикле, км/ч 50 45 91 90

Максимальное ускорение в цикле, м/с2 1,0 2,7 2,3 1.0

Продолжительность цикла, с 195 598 1874 1180

Относительное время стоянок в цикле, % 33 33 18 25

Пробег в цикле (расчетный) 1, м 988 1850 12118 10505

Расход электрической энергии ЭДГ Вгч 365 1040 4752 3508

Расход электрической энергии АБ 1/ИБ. Вгч 450,9 1288 5885 4344

Расчетная энергия рекуперации №рек., Вт-ч * 129 558 1922 568

Эффективность использования энергии АБ Цв, % 77,9 72,1 76,1 78,0

Удельный расход энергии АБ, Вт-ч/ткм 130,4 198,9 138,8 118,1

Количество пусков ЭДГ на 1 км 3,03 5,4 1,49 0,81

Среднее значение мощности на валу ЭДГ, кВт 6,5 5,6 8,6 10,3

Расчетная масса АБ при значении удельной энергии 120 Вт-ч/кг и пробеге 100 км, кг 370 580 405 345

* Электрическая энергия, генерируемая ЭДГ в режиме рекуперативного торможения (т.е. без учета КПД силового преобразователя и КПД АБ при заряде).

Рис. 4. Изменение частоты вращения ротора, электромагнитного момента и момента сопротивления на валу ЭДГ (третий участок городского цикла ЕСЕ)

Время, с

Рис. 5. Изменение КПД АБ при разряде и заряде в зависимости от времени (третий участок городского цикла ЕСЕ)

Моделирование движения ЭМ в различных ездовых циклах позволяет оценить объемы и эффективность энергии рекуперации при торможении. В ходе проведенного исследования было установлено, что наивысшие показатели по объему рекуперативной энергии имеют место в городском цикле (МУСС). Данный факт обусловлен большой частотой режимов пуска и торможения АТС, а также высокой эффективностью заряда батареи, обусловленной низкими зарядными мощностями при торможении со скорости 45. ..30 км/ч.

Наряду с исследованием ЭМ, во второй главе проведен расчет показателей ДВС традиционного АТС в характерных условиях движения (городское и загородное), что позволило оценить влияние различных режимов его работы на показатели топливной экономичности автомобиля, а также сформулировать требования к организации эффективной работы ДВС в составе ГСУ.

Результаты расчета расхода топлива традиционного автомобиля ГАЗ-2705 «Газель» с ДВС ЗМЗ-406.2 и стандартной коробкой передач представлены в табл.2.

Таблица 2

Расчетные значения расхода топлива автомобиля ГАЗ-2705 _в различных контрольных циклах_

Цикл Тип цикла Расход топлива, л/100км

Полная масса Снаряженная масса +100 кг

ЕСЕ городской 25,9 21,2

ЕУРС (У„ак=90 км/ч) загородный 20,7 16,5

ЫЕОС (Умаю=90 км/ч) смешанный 22,8 18,3

ЫУСС городской 33,7 30,0

РТР-72 смешанный 20,4 17,1

НРЕОЭ загородный 22,0 17,7

Полученные значения расхода топлива использованы при оценке энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ на базе ГАЗ-2705. Сопоставление результатов моделирования движения традиционного автомобиля «Газель» с экспериментальными данными, полученными в ФГУП «НАМИ» (г.Москва), показало, что расхождение расчетных данных и экспериментальных не превышает 5 %.

Для оценки топливной эффективности АТС предложен метод расчета энергетического эквивалента расходуемого топлива, позволяющий определить КПД ДВС щВс на различных участках движения, при этом

(8)

где Же - полезная энергия на валу ДВС; Щ - энергетический эквивалент израсходованного топлива.

В ходе моделирования движения традиционного автомобиля ГАЗ-2705 с ДВС ЗМЗ-406.2 в городском цикле ЕСЕ было установлено, что наивысшая топливная эффективность ДВС (26...28%) достигается на участках разгона, при этом максимальный КПД данного двигателя составляет 30,7%. Эффективность использования топлива при движении с установившейся скоростью 15 км/ч и 32 км/ч составила соответственно 8,5 % и 13,6 %.

Результаты оценки энергетической эффективности ЭМ и традиционного АТС в различных режимах движения позволили сформулировать основные мероприятия по организации эффективной работы ДВС в составе ГСУ транспортного средства и определить способы их реализации (см. табл. 3).

Таблица 3

Основные мероприятия по организации эффективной работы ДВС в _составе ГСУ АТС и способы их реализации__

№ Основные мероприятия по организации эффективной работы ДВС в составе ГСУ Способы реализации

1 Минимизация или исключение работы ДВС в режиме холостого хода Выключение ДВС в режимах стоянки АТС и торможения.

2 Минимизация или исключение работы ДВС в режимах малых нагрузок 1. Обеспечение движения АТС при низких скоростях при помощи ЭДГ. 2. Дополнительная загрузка ДВС посредством ЭГД и заряда БНЗ.

3 Исключение работы ДВС в граничных режимах (на внешней характеристике, режимах максимальной мощности) Реализация режимов совместной работы ДВС и ЭДГ на колёса.

4 Максимальное использование ДВС непосредственно для привода ведущих колёс 1. В случае если требуемые для движения момент и частота вращения соответствуют оптимальным значениям с точки зрения топливной эффективности ДВС, то ГСУ будет реализовывать максимальную эффективность при работе ДВС непосредственно для привода ведущих колес. 2. Работа ЭДГ, в случае если ДВС обеспечивает необходимые динамические показатели АТС и при этом работает на режимах с высоким КПД, должна быть полностью исключена или минимизирована.

5 Пуск ДВС при частоте вращения коленчатого вала, соответствующей минимальной рабочей частоте вращения I 1. Реализуется при работе ЭДГ на участках разгона АТС. 2. Возможен при помощи электрогенератора, работающего в двигательном режиме.

Четвертая глава работы направлена на исследование энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ последовательного и смешанного типа.

Исследование АТС с ГСУ последовательного типа проводилось при следующих вариантах стратегии работы ДВС и ЭГД:

1. Стационарный режим работы ДВС, при котором установка ДВС-ЭГД работает в режиме постоянной мощности, соответствующей зоне минимального удельного расхода топлива.

2. Стационарный режим работы ДВС, при котором установка ДВС-ЭГД работает в режиме постоянной мощности, значение которой соответствует средней потребляемой мощности ЭДГ в рассматриваемом цикле.

3. Адаптивный режим работы установки ДВС-ЭГД, который заключается в изменении нагрузки ДВС по линии оптимального расхода топлива в зависимости от режимов работы АБ.

Во всех случаях в качестве объекта исследования рассматривался базовый автомобиль ГАЗ-2705 с заменой штатного ДВС ЗМЗ-406.2 двигателем ВАЗ-1111. Выбор двигателя внутреннего сгорания ВАЗ-1111 с максимальной мощностью 22 кВт обусловлен тем, что на этапе моделирования движения ЭМ на базе ГАЗ-2705 были получены средние значения мощности на валу ЭДГ в цикле ЕСЕ -6,5 кВт и N£00-10,3 кВт.

Стратегия работы ГСУ последовательного типа сводится к поддержанию степени заряженности БИЭ (аккумуляторной батареи) в заданном диапазоне, при этом работа ДВС на режимах оптимального расхода топлива обеспечивается за счет ЭГД.

Общее выражение для мгновенной мощности заряда/разряда батареи накопителей энергии (Рбнэ) для последовательной структуры АТС с ГСУ можно определить как

■^внэ ~ Р. ~ »7г ' ^ПП.Г ' -^эгд — '7пн.д ' ^1.Рек>п , (9)

Ппнд

где Р\ - потребляемая мощность тягового ЭДГ; ?ЭГд - мощность на валу электрогенератора; Л.Рекуп. - генерируемая тяговым электродвигателем-генератором мощность в режиме рекуперативного торможения; ??пн.д - КПД преобразователя напряжения тягового ЭДГ и устройств силовой коммутации; ^Пн.г - КПД преобразователя напряжения ЭГД и зарядного устройства; цг - КПД ЭГД.

С учетом того, что питание тягового ЭГД обеспечивается за счет параллельной работы источников электрической энергии (БНЭ и ЭГД), баланс ампер-часовой емкости АБ в цикле можно определить согласно выражению:

АС=Сг + СРекуп-С; (10)

где Сг - емкость, реализуемая ЭГД, А-ч; СРекуп. - емкость рекуперации, А-ч; С - емкость разряда АБ в режиме электромобиля, обусловленная потребляемой мощностью тягового ЭДГ, А-ч.

Результаты моделирования движения АТС ГАЗ-2705 с ДВС ВАЗ-1111в составе ГСУ показали возможность снижения расхода топлива в сравнении с традиционным вариантом автомобиля на 20...25 % в городском цикле. Полученные значения экономии топлива автомобиля ГАЗ-2705 с ГСУ в смешанном цикле сопоставимы с результатами экспериментальных исследований, проведенными ФГУП «НАМИ». По данным этих испытаний, снижение расхода топлива автомобиля ГАЗ-3221 с ГСУ в смешанном цикле (N£00) по отношению к традиционному варианту АТС составило 23 %, что позволяет утверждать о достоверности работы математической модели.

При исследовании энергетической и топливной эффективности АТС ГАЗ-2705 с ГСУ последовательно-параллельного (смешанного) типа в составе энергоустановки рассматривались два варианта ДВС -ВАЗ-2112 и ЗМЗ-406.2. В ходе исследования было установлено, что работа двигателя внутреннего сгорания непосредственно для привода ведущих колес на участках разгона более эффективна, чем реализация режима работы тягового ЭДГ или заряда БНЭ. В последних случаях имеют место дополнительные потери энергии, обусловленные КПД ЭДГ, ЭГД, ПН, заряда-разряда батареи.

Важной особенностью предлагаемой в работе модели АТС с ГСУ является количественная оценка потоков энергии между силовыми агрегатами. На рис.1 обозначены следующие рассчитываемые энергетические показатели работы ГСУ: \У\ - энергия, потребляемая тяговым ЭДГ; 1У2 - энергия на валу тягового ЭДГ; 1УдВС - механическая (на валу) энергия ДВС; Ждвс.м - механическая энергия ДВС, направленная на движение АТС; Жг - энергия на валу ДВС, обусловленная нагрузкой ЭГД; - энергия пуска ДВС; ]¥гх. -генерируемая энергия ДВС-ЭГД (с учетом КПД ЭГД, ПН, АБ при заряде); Жр^, - рекуперативная энергия торможения; ЖРек.е - рекуперативная энергия торможения с учетом КПД ЭДГ, ПН и АБ при заряде;

- энергия, потребляемая от АБ (энергия разряда АБ); 1¥ь - запас энергии АБ с учетом начальной степени заряженности.

Основанный на возможных режимах работы ГСУ смешанного типа, а также основных мероприятиях по организации эффективной работы ДВС в составе ГСУ, в работе предложен базовый алгоритм функционирования агрегатов энергоустановки и выбора оптимального с точки зрения энергетической эффективности режима работы ГСУ (см. рис.6).

Рис.6. Алгоритм выбора рационального режима работы ГСУ

е - степень заряженности (СЗ) БНЭ; ен - нижний предел СЗ; ев - верхний предел СЗ; МТСУ, пгсу- требуемые момент и частота вращения вала ГСУ; Мэ;„ - вращающий момент ЭДГ;

• максимальный момент ЭДГ; Мявс- вращающий момент ДВС; Мд9сопт,пднсопг- оптимальные по величине удельного расхода топлива момент и частота вращения вала ДВС; ВМ - ведущий мост; БНЭ - батарея накопителей энергии (аккумуляторная батарея); ДВС - двигатель внутреннего сгорания; ЭДГ - тяговый электродвигатель-генератор; ЭГД - электрогенератор-двигатель

1у

Согласно предложенному алгоритму работы ГСУ можно выделить следующие основные режимы работы силовой установки:

(1). Режим интенсивного разгона АТС, при котором обеспечивается совместная работа ДВС и ЭДГ на ведущий мост.

(2). Режим работы ДВС на ведущий мост (ЭДГ выключен). Данный режим имеет место при разгоне АТС с V Ф 0 и при движении с высокими значениями установившейся скорости (например, 90 км/ч в загородном цикле ЕШС).

(3). Режим совместной работы ДВС и ЭДГ на ВМ. При этом ЭДГ реализует момент, дополнительный к оптимальному (по критерию минимизации удельного расхода топлива) моменту ДВС.

(4). Режим генерирования электрической энергии для заряда АБ или питания тягового ЭДГ - последовательная структура. При этом мощность, развиваемая ДВС, реализуется на движение АТС и работу ЭГД. Данный режим характерен для движения АТС с установившейся скоростью.

(5). Режим работы тягового ЭДГ на ВМ. Режим целесообразен при разгоне АТС с \/=0 до скорости, соответствующей запуску ДВС, а также для движения с низкими значениями установившейся скорости (0...50 км/ч). Работа тягового ЭДГ на ВМ при выключенном ДВС используется для движения АТС в режиме электромобиля.

(6). Режим стационарной работы установки ДВС-ЭГД. При этом ДВС работает при минимальных значениях удельного расхода топлива. Данный режим может быть использован для заряда БНЭ на стоянках АТС.

Разработанный алгоритм функционирования агрегатов энергоустановки и выбора режима работы ГСУ реализован при моделировании движения и исследовании энергетической и топливной эффективности АТС ГАЗ-2705 с ГСУ смешанной структуры. Для наглядного представления режимов работы ДВС в составе ГСУ в соответствии с разработанным алгоритмом на рис. 7 представлена многопараметровая характеристика ДВС ВАЗ-2112 с отмеченными режимными точками, отражающими работу ДВС на участке городского цикла ЕСЕ.

де, г/кВтч

1000 1500 2000 2500 3000 35СС 4000 4500 5000

п, мин'1

Рис. 7. Многопараметровая характеристика ДВС ВАЗ-2112 с режимными точками (движение АТС ГАЗ-2705 с ГСУ на участке городского цикла ЕСЕ)

(11)

Рек.о

)

Для оценки энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ в настоящей работе предложен и используется метод оценки расхода топлива на заряд А5 (тт6) как произведения расхода энергии батареи на интегральный удельный расход топлива (^¡) ДВС, полученный в результате моделирования, при этом

/

из

где ЖР - энергия разряда АБ, Вт-ч; у/3 - эффективность заряда АБ (учитывает КПД ПН, ЭГД, АБ при заряде); ЖРек,б - рекуперативная энергия торможения с учетом КПД ПН и АБ при заряде, Вт-ч.

Указанный подход дает возможность оценить топливный эквивалент энергии АБ.

Для оценки эффективности принятых решений по выбору основных компонентов энергетической системы АТС с ГСУ и сравнения различных вариантов стратегии управления энергоустановкой предложен критерий

К=тг/№м: г/(Вт-ч); (12)

где тг - общая расчетная масса израсходованного топлива, г; 1УМ - суммарная механическая энергия на валу ГСУ. При этом

тц=тТ+тг.5: (13)

где тТ - расчетное значение массы израсходованного топлива ДВС при работе в составе ГСУ.

Размерность критерия К (г/Вт-ч) позволяет определить интегральную точку на многопараметровой характеристике применяемого ДВС, которая однозначно характеризует эффективность работы энергетической системы АТС в контрольном цикле движения, а при сравнении вариантов стратегии управления ГСУ предлагаемый коэффициент является количественным показателем эффективности.

В рамках настоящей работы был выполнен расчет энергетической и топливной эффективности автомобиля ГАЗ-2705 с гибридной силовой установкой (с ДВС ВАЗ-2112) для различных вариантов стратегии управления ГСУ. Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:

1. Максимальная топливная экономичность АТС ГАЗ-2705 с ГСУ смешанного типа (с ДВС ВАЗ-2112) в городском (ЕСЕ) и загородном (Е1ЮС) циклах достигается при реализации следующих режимов работы энергоустановки:

- разгон АТС с нулевой скорости до скорости (\/двс.пуск). соответствующей минимальной рабочей частоте вращения коленчатого вала ДВС осуществляется за счет работы тягового ЭДГ на ведущий мост;

- разгон АТС со скорости Удвс.пуск до достижения установившегося режима движения (У=15...50 км/ч) осуществляется за счет работы только ДВС на ВМ (ЭДГ выключен), при этом разгон до скоростей АТС \/=70...90 км/ч реализуется при совместной работе ДВС и ЭДГ;

- равномерное движение с установившейся скоростью \/=15...50 км/ч реализуется посредством тягового ЭДГ (ДВС выключен);

- равномерное движение с установившейся скоростью более 50 км/ч реализуется посредством работы ДВС на ВМ и привод ЭГД;

- замедление АТС осуществляется при помощи работы тягового ЭДГ в режиме генераторного торможения с рекуперацией электрической энергии в аккумуляторную батарею.

2. Максимальное снижение расхода топлива АТС ГАЗ-2705 с ГСУ смешанного типа на основе ДВС ВАЗ-2112 в сравнении с традиционным вариантом данного автомобиля получено в режиме городского движения - 40...49 % (цикл ЕСЕ). Топливная экономичность АТС ГАЗ-2705 с ГСУ в смешном цикле ^ЕОС) составила 30 %. Наименьшее снижение расхода реализуется в режиме загородного движения (ЕШС) -11%.

3. Расчет показателей топливной экономичности АТС с ГСУ для двух случаев - с учетом и без учета рекуперации электрической энергии в АБ, позволил определить ее значимость в снижении расхода топлива, которая составила:

-13 % в городском режиме движения;

- 8 % в смешанном цикле;

- 4 % в загородном цикле.

В пятой главе работы представлена базовая методика выбора параметров основных компонентов ГСУ, а также проведен сравнительный анализ топливной экономичности традиционного АТС ГАЗ-2705 и варианта с гибридной силовой установкой по критерию выполнения одинаковой транспортной работы.

При разработке АТС существенными факторами, влияющими на характеристики гибридной силовой установки и ее структуру, являются предъявляемые требования к эксплуатационным характеристикам нового АТС, среди которых можно выделить следующие основные показатели: назначение; топливная экономичность; экологическая безопасность; грузоподъемность; скоростные и динамические характеристики; реализация контрольного цикла движения; пробег в режиме ЭМ; экономические показатели, в том числе стоимость реализации и экономический эффект при эксплуатации.

Информация о данных показателях является отправной точкой при формировании первоначального решения по структуре ГСУ, составу и типу используемого оборудования.

С учетом требований к эксплуатационным характеристикам АТС в настоящей работе разработана базовая методика определения и расчета параметров основных компонентов ГСУ АТС, даны рекомендации по выбору характеристик ДВС, ЭДГ, ЭГД, АБ.

Расчет параметров БНЭ (аккумуляторной батареи) в составе ГСУ следует проводить по нескольким условиям, дополняющим друг друга:

- по условию реализации режима электромобиля, при этом номинальная емкость БНЭ при известном значении номинального напряжения батареи С/бн определяется как:

С6и~ Й^уд '-¿треб /t/бн, (14)

где Wya - удельный расход энергии БНЭ в контрольном цикле, Вт-ч/км; Ареб. - требуемый пробег АТС в режиме электромобиля, км.

- с учетом перегрузочной способности по току, при этом минимальная (требуемая) емкость БНЭ определяется согласно выражению:

Q =-~i2fL~; (15)

где Рб.макс - максимальная разрядная мощность БНЭ, Вт; кт -коэффициент допустимой перегрузки по току разряда БНЭ, o.e.

Необходимым условием объективной оценки топливной эффективности АТС с ГСУ является анализ расхода топлива по критерию выполнения одинаковой транспортной работы. Другими словами, при определении фактического расхода топлива АТС с ГСУ необходимо учитывать изменение грузоподъемности АТС после конвертации.

В заключении представлены основные результаты работы.

Основные результаты и выводы по работе.

1. Разработана методика исследования энергетической системы автомобиля с гибридной силовой установкой, основанная на математическом моделировании работы основных компонентов ГСУ.

2. Разработана комплексная математическая модель АТС с ГСУ, состоящая из:

- модели асинхронной машины с системой преобразования электрической энергии и управления;

- модели аккумуляторной батареи;

- модели двигателя внутреннего сгорания;

- модели устройства сопряжения и распределения мощности агрегатов ГСУ.

3. Разработан метод расчета энергетических показателей системы тягового электрооборудования АТС с ГСУ, основанный на моделировании движения электромобиля.

4. Разработан метод расчета топливной эффективности традиционного АТС в различных режимах движения.

5. Расчет энергетических показателей системы тягового электрооборудования электромобиля, а также оценка топливной эффективности традиционного АТС в различных режимах движения, позволили определить основные мероприятия по организации эффективной работы ДВС в составе ГСУ транспортного средства и способы их реализации.

6. Разработан метод оценки энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ. Для оценки результативности принятых решений по выбору основных компонентов энергетической системы АТС с ГСУ и сравнения различных вариантов стратегии управления работой энергоустановки предложен критерий, являющийся количественным показателем эффективности.

7. Разработан алгоритм выбора рационального режима работы ГСУ смешанного типа, направленный на повышение показателей топливной экономичности АТС.

8. Выполнен расчет энергетической и топливной эффективности автомобиля ГАЗ-2705 с гибридной силовой установкой на основе ДВС ВАЗ-2112 для различных вариантов стратегии управления ГСУ смешанного типа. Результаты расчета позволили определить стратегию оптимального, с точки зрения снижения расхода топлива, управления ГСУ.

9. На примере базового автомобиля ГАЗ-2705 получены результаты сравнения показателей эффективности последовательной и смешанной структур гибридной силовой установки. Дана количественная оценка снижения расхода топлива АТС ГАЗ-2705 с ГСУ в сравнении с базовым автомобилем.

10. Разработана базовая методика определения и расчета параметров основных компонентов ГСУ транспортного средства, а также сформулированы основные принципы рационального выбора характеристик силовых агрегатов ГСУ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Сидоров K.M. Результаты моделирования электромобилей / В.Е.Ютт, Е.И.Сурин, К.М.Сидоров II Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: Труды II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием 16-18 мая. 4.2. - Тольятти: ТГУ, 2007. - С. 118 - 121.

2. Сидоров K.M. Моделирование автомобиля с комбинированной энергетической установкой на базе ГАЗ 2705 / Е.И.Сурин, К.М.Сидоров, М.В.Ютт // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2007. - № 4. - С. 14 -16.

3. Сидоров K.M. Энергетические показатели электромобиля в европейских циклах движения/ Е.И. Сурин, K.M. Сидоров, М.В. Ютт// Организационно-управляющие системы на транспорте и в промышленности: Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ).- М.: МАДИ (ГТУ), 2007,- С.106-110.

4. Сидоров K.M. Анализ эффективности и энергоресурса электромобилей и автомобилей с комбинированной энергетической установкой / В.Е. Ютт, K.M. Сидоров, Т.В. Голубчик // Электроника и электрооборудование транспорта. Проблемы и пути решения: Материалы 46-го международного симпозиума. - Суздаль: 2008.

5. Сидоров K.M. Применение компьютерного моделирования при проектировании автомобилей с комбинированными энергетическими установками / В.Е. Ютт, Е.И. Сурин, K.M. Сидоров // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: Сборник трудов Международной научно-технической конференции. Тольятти 12 -15 мая 2009 г. в 3-х ч. - Тольятти: ТГУ, 2009. - 4.1.- С. 259 - 262.

6. Сидоров K.M. Перспективы развития автомобилей с комбинированными энергетическими установками / В.Е. Ютт, Е.И. Сурин, K.M. Сидоров // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2009. - № 2. - С. 2 - 5.

7. Сидоров K.M. Испытания транспортных средств с комбинированной энергетической установкой / K.M. Сидоров, Т.В. Голубчик, М.В. Ютт // Принципы построения и особенности использования мехатронных систем: Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ).- М.: МАДИ (ГТУ), 2009. - С 26 - 34.

8. Сидоров K.M. Энергетическая эффективность автомобилей с комбинированными энергетическими установками и ее взаимосвязь с условиями движения I K.M. Сидоров // Методы описания и моделирования бизнес-процессов в промышленности, строительстве и образовании: Сб. науч. тр. МАДИ. - М.: МАДИ, 2010. - С 63 - 71.

Подписано в печать 16 сентября 2010 г Формат 60x84x16 Усл.печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 55*

ТехПолиграфЦентр Россия, 125319 , г. Москва ул. Усие8ича, д. 8 а. Тел.:8-916-191-08-51 Тел./факс (499) 152-17-71

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ОБЗОР АВТОМОБИЛЕЙ С ГИБРИДНЫМИ СИЛОВЫМИ УСТАНОВКАМИ.

1.1. Проблемы потребления углеводородного топлива.

1.2. Классификация транспортных средств с гибридной силовой установкой.

1.2.1. Общие положения.

1.2.2. Классификация АТС с ГСУ по энергетическому обеспечению.

1.2.3. Классификация АТС по структуре и схеме взаимодействия основных компонентов ГСУ.

1.3. Обзор транспортных средств с ГСУ.

1.4. Энергетическая эффективность автомобилей с ГСУ и ее взаимосвязь с условиям11 движе11ия.

Выводы к Главе 1.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ.

2.1. Общие положения.

2.2. Математическая модель системы тягового электрооборудования АТС с ГСУ

2.2.1. Функциональная схема обобщенной модели системы тягового электрооборудования АТС с ГСУ.

2.2.2. Математическая модель электрической машины.

2.2.3. Модель системы преобразования энергии и управления АМ.

2.3. Математическая модель аккумуляторной батареи.

2.3.1. Применение метода Шеферда для моделирования нестационарных режимов разряда и заряда аккумуляторных батарей.

2.3.2. Расчет баланса электрической энергии аккумуляторной батареи в составе

ГСУ АТС.

2.4. Математическая модель двигателя внутреннего сгорания.

2.5. Математическая модель устройства механического сопряжения и распределения мощности агрегатов ГСУ.

2.5.1. Определение требуемых тягово-энергетических характеристик ГСУ.

2.5.2. Математическая модель устройства механического сопряжения и распределения мощности агрегатов ГСУ.

Выводы к Главе 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА.

3.1. Общие положения.

3.2. Анализ энергетических показателей электромобиля в условиях городского и загородного режимов движения.

3.2.1.Исходные данные.

3.2.2.Результаты моделирования движения электромобиля на базе автомобиля ГАЗ-2705.

3.2.3. Результаты экспериментальных исследований СТЭО транспортного средства.

3.3. Анализ топливно-энергетических показателей традиционного автомобиля в условиях городского и загородного режимов движения.

3.3.1. Алгоритм расчета топливно-энергетических показателей автомобиля.

3.3.2. Моделирование движения традиционного автомобиля при ступенчатом изменении передаточного числа трансмиссии.

3.3.3. Топливная эффективность традиционного АТС.

3.3.4. Моделирование движения автомобиля при непрерывном изменении передаточного числа трансмиссии.

3.3.5. Эффективность работы ДВС в составе ГСУ.

Выводы к Главе 3.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ И РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ И ТОПЛИВНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АТС С ГСУ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ И СМЕШАННОЙ СТРУКТУР.

4.1. Исследование энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ последовательной структуры.

4.1.1. Общие положения.

4.1.2. Исследование энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ последовательной структуры.

4.2. Исследование энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ смешанной структуры.

4.2.1. Основы эффективной работы ДВС в составе ГСУ смешанной структуры.

4.2.2. Алгоритм функционирования агрегатов энергоустановки и выбора рационального режима работы ГСУ смешанной структуры.

4.2.3.Методика оценки энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ.

4.3. Результаты оценки энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ. 149 Выводы к Главе 4.

ГЛАВА 5. МЕТОДИКА ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА.

5.1. Основные этапы определения параметров основных компонентов ГСУ.

5.2. Определение и расчет параметров гибридной силовой установки.

5.2.1. Определение требуемых характеристик ДВС и основных компонентов СТЭО в составе ГСУ.

5.2.2. Расчет и определение характеристик БНЭ.

5.3. Оценка грузоподъемности АТС с ГСУ.

Выводы к Главе 5.

Установившиеся на протяжении последних десятилетий высокие темпы автомобилизации с каждым годом все больше обостряют проблему возрастающего потребления углеводородных источников энергии. Автомобильный транспорт в настоящее время является одним из основных потребителей нефтяных ресурсов, на его долю приходится около 50 % всего объема нефтедобычи. Увеличение объемов использования углеводородного топлива сопровождается ухудшением экологической обстановки как в масштабе отдельных городов, так и во всем мире.

В России, наряду с ростом численности автопарка, проблема потребления топливных ресурсов и ухудшения экологии усугубляется и другими особенностями автотранспортного комплекса страны. Отставание развития транспортной инфраструктуры и дорожной сети, высокая доля парка с большим сроком эксплуатации и низкими экологическими показателями оказывает негативное влияние на указанную проблему. В связи с этим, применение транспорта с высокими показателями топливной экономичности и экологической безопасности, а также модернизация находящихся в эксплуатации традиционных автотранспортных средств (АТС), может явиться одним из наиболее эффективных средств улучшения сложившейся топливно-энергетической и экологической ситуации.

Наряду с другими возможными способами решения данной проблемы, такими как совершенствование конструкции двигателей внутреннего сгорания (ДВС), использование альтернативного топлива (в том числе биотоплива и природного газа), особо следует выделить применение гибридных (комбинированных) силовых установок (ГСУ) на транспортных средствах.

По мере совершенствования АТС с двигателями внутреннего сгорания всегда существовала идея сочетания на автомобиле нескольких различных источников энергии для движения. В настоящее время подобной системой, признанной ведущими автопроизводителями, является та, в которой комбинируются два различных преобразователя энергии — ДВС и электрическая машина и, соответственно, два источника — топливо и электрическое накопительное устройство (аккумуляторная батарея). Сочетание на автотранспортном средстве ДВС, электрической машины с системой преобразования электрической энергии и управления, а также буферного накопителя энергии позволяет обеспечить функционирование силовой установки таким образом, чтобы избежать неблагоприятных (с точки зрения энергетической эффективности) режимов работы, как двигателя внутреннего сгорания, так и электрической машины, реализуя высокую эффективность всей системы.

Актуальность этой темы уже давно признана во многих промышленно-развитых странах, где существуют обширные национальные программы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по автомобилям с ГСУ, налажено серийное производство данного вида АТС. Развитию работ в этом направлении способствует постоянное ужесточение норм по выбросам вредных веществ, реализация которых уже невозможна путем дальнейшего совершенствования традиционных схем АТС на основе двигателей внутреннего сгорания.

В России в последние годы также отмечается активизация работ по созданию и внедрению автотранспортных средств нового поколения, начинают разрабатываться проекты программ развития перспективного транспорта. Проблемами разработки и создания электромобилей и АТС с ГСУ занимались и продолжают заниматься ряд российских ученых: Б.И.Петленко, Е.И.Сурин,

A.А.Ипатов, А.А.Эйдинов, В.Е.Ютт, С.В.Бахмутов, Б.Э.Павлушков,

B.В.Селифонов, Б.Я.Черняк, Ю.А.Купеев, В.Ф.Кутенев, В.Ф.Каменев, Л.Ю.Лежнев, И.П.Ксеневич, Д.Б.Изосимов и многие другие. Решению вопросов в данной области посвящены диссертационные работы, выполненные в МАДИ, ФГУП «НАМИ», МГТУ «МАМИ», МЭИ и др. [16, 26, 28, 31, 53].

Результаты исследований электромобилей и транспортных средств с ГСУ отражены в ряде научных статей [8, 12, 18, 19, 24, 25, 29, 33 — 38], в том числе зарубежных авторов [59 - 63, 65 - 72, 75 - 81, 87 - 90].

В настоящее время в ряде научных институтов страны созданы и испытаны образцы АТС с ГСУ. Однако, несмотря на этот факт, в данной области остается много нерешенных вопросов, отсутствует устоявшаяся методика определения и расчета параметров комбинированной энергетической системы автомобиля, нет четкой картины наиболее эффективной организации совместной работы компонентов энергоустановки. Применяемые при исследованиях математические модели АТС, как правило, направлены на детальную проработку одного из компонентов ГСУ, при этом значения остальных ключевых составляющих упрощаются. Кроме того, большинство работ посвящено исследованию АТС с ГСУ последовательной и параллельной структур, тогда как смешанная структура энергоустановки остается до конца не изученной.

ГСУ транспортного средства представляет сложную систему устройств, находящихся в тесной взаимосвязи и функционирующих как единое целое. Поэтому подход к вопросу определения рациональной стратегии управления ГСУ, параметров ее основных узлов должен быть также системным, учитывающим целый ряд характеристик и условий. В связи с этим, разработка действительно эффективного в эксплуатационном отношении транспортного средства с гибридной силовой установкой возможна посредством целостного исследования и определения энергетической и топливной эффективности разрабатываемого АТС и стратегии управления ГСУ.

В настоящей работе предлагается разработать метод исследования энергетической системы АТС с ГСУ, с помощью разработанной комплексной модели транспортного средства с ГСУ исследовать несколько различных вариантов схем и алгоритмов работы энергоустановки, оценить их с точки зрения энергетической и топливной эффективности.

Таким образом, целью настоящей работы является разработка методики и средств исследования энергетической системы автомобиля с гибридной силовой установкой, основанных на математическом моделировании работы основных компонентов ГСУ.

В рамках поставленной цели настоящей диссертационной работы решаются следующие задачи:

- анализ существующих разработок АТС с ГСУ и применяемого силового оборудования в их составе;

- разработка комплексной математической модели АТС с ГСУ;

- исследование энергетических показателей и определение рациональных режимов работы основных компонентов ГСУ транспортного средства;

- разработка алгоритма выбора рационального режима работы гибридной силовой установки;

- разработка метода оценки энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ;

- расчет и сравнение показателей эффективности АТС с ГСУ последовательной и смешанной структур;

- разработка базовой методики определения и расчета параметров основных компонентов ГСУ транспортного средства.

Методы исследований. При решении задач использованы современные математические методы теоретической электротехники, теории электромеханического преобразования энергии, основные положения теории автомобиля, ДВС и математического моделирования динамических процессов в сложных нелинейных системах.

Научная новизна. Разработана комплексная математическая модель, включающая полный состав основных компонентов ГСУ транспортного средства и учитывающая нелинейность показателей энергетической эффективности системы тягового электрооборудования, в том числе аккумуляторной батареи и электрической машины. Разработанная обобщенная модель позволяет проводить оценку эффективности реализации на транспортном средстве различных схем гибридных силовых установок (последовательной, параллельной, смешанной) и алгоритмов работы последней, а также дать рекомендации по выбору характеристик основных компонентов ГСУ.

На защиту выносятся:

- комплексная математическая модель АТС с ГСУ, включающая модели асинхронной электрической машины с системой преобразования электрической энергии и управления, аккумуляторной батареи, расчета показателей работы ДВС, устройства сопряжения и распределения мощности силовых агрегатов;

- метод исследования энергетических показателей основных компонентов ГСУ транспортного средства;

- алгоритм выбора рационального режима работы ГСУ транспортного средства;

- метод оценки энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ;

- результаты расчета и сравнения показателей эффективности АТС с ГСУ последовательной и смешанной структур;

- базовая методика расчета и определения параметров основных компонентов ГСУ транспортного средства.

Достоверность результатов обеспечена использованием современных математических методов, согласованным сравнительным анализом результатов расчетных и экспериментальных исследований.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Результаты работы, в том числе методика исследования энергетической системы транспортных средств с ГСУ, использованы при выполнении работ, связанных с разработкой АТС с ГСУ в ОАО «НЛП «Квант», ФГУП «НАМИ», а также в учебном процессе в МАДИ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: 46-ом международном симпозиуме «Электроника и электрооборудование транспорта. Проблемы и пути решения», г.Суздаль, июнь 2008;

Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», г.Тольятти, 12 - 15 мая 2009;

- Научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ, г. Москва, 2008 - 2010 гг.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, в том числе две публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 104 наименования и 6 приложений. Содержит 173 страницы текста, 62 рисунка, в том числе графики, 26 таблиц.

Выводы к Главе 5

1. Разработана базовая методика определения и расчета параметров основных компонентов ГСУ транспортного средства.

2. При разработке АТС существенными факторами, влияющими на характеристики гибридной силовой установки и ее структуру, являются предъявляемые требования к эксплуатационным характеристикам нового АТС.

3. Полученные в настоящей работе результаты энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ позволили сформулировать основные принципы рационального выбора характеристик силовых агрегатов ГСУ.

4. Расчет характеристик аккумуляторной батареи в составе ГСУ должен проводиться по нескольким условиям, дополняющим друг друга:

- по условию реализации режима электромобиля;

- с учетом перегрузочной способности по току.

5. Для оценки характеристик батареи накопителей энергии по известным характеристикам АТС и силовых агрегатов ГСУ были определены обобщенные выражения для расчета максимальной мощности разряда БНЭ при совместной работе ЭДГ и ДВС на ведущий мост, а также требуемой минимальной емкости БНЭ.

6. Необходимым условием объективной оценки топливной эффективности АТС с ГСУ является анализ топливной экономичности по критерию выполнения одинаковой транспортной работы, таким образом, при определении фактического расхода топлива АТС с ГСУ необходимо учитывать степень изменения грузоподъемности АТС после конвертации.

166

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ существующих разработок АТС с ГСУ и применяемого силового оборудования в их составе

2. Разработана методика исследования энергетической системы автомобиля с гибридной силовой установкой, основанная на математическом моделировании работы основных компонентов ГСУ.

3. Разработана комплексная математическая модель АТС с ГСУ, состоящая из:

- модели асинхронной машины с системой преобразования электрической энергии и управления;

- модели аккумуляторной батареи;

- модели двигателя внутреннего сгорания;

- модели устройства сопряжения и распределения мощности агрегатов

ГСУ.

4. Разработан метод расчета энергетических показателей системы тягового электрооборудования АТС с ГСУ, основанный на моделировании движения электромобиля.

5. Разработан метод расчета топливной эффективности традиционного АТС в различных режимах движения.

6. Расчет энергетических показателей системы тягового электрооборудования электромобиля, а также оценка топливной эффективности традиционного АТС в различных режимах движения, позволили определить основные мероприятия по организации эффективной работы ДВС в составе ГСУ транспортного средства и способы их реализации.

7. Разработан метод оценки энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ. Для оценки результативности принятых решений по выбору основных компонентов энергетической системы АТС с ГСУ и сравнения различных вариантов стратегии управления работой энергоустановки предложен критерий, являющийся количественным показателем эффективности.

8. Разработан алгоритм выбора рационального режима работы ГСУ смешанного типа, направленный на повышение показателей топливной экономичности АТС.

9. Выполнен расчет энергетической и топливной эффективности автомобиля ГАЗ-2705 с гибридной силовой установкой на основе ДВС ВАЗ-2112 для различных вариантов стратегии управления ГСУ смешанного типа. Результаты расчета позволили определить стратегию оптимального, с точки зрения снижения расхода топлива, управления ГСУ.

10. Дана количественная оценка снижения расхода топлива АТС ГАЗ-2705 с ГСУ в сравнении с базовым автомобилем, при этом в случае реализации смешанной структуры ГСУ максимальное снижение расхода топлива имеет место в режиме городского движения, при этом экономия топлива с учетом рекуперации энергии в АБ достигает 50 % (цикл ЕСЕ). Топливная экономичность АТС ГАЗ-2705 с ГСУ в смешном цикле (МЮС) составила 30 %. Наименьшее снижение расхода реализуется в режиме загородного движения (Е1ГОС) - 11%.

11. На примере базового автомобиля ГАЗ-2705 получены результаты сравнения показателей эффективности последовательной и смешанной структур ГСУ.

12. Расчет показателей топливной экономичности АТС с ГСУ для двух случаев - с учетом и без учета рекуперации электрической энергии в АБ, позволил определить ее значимость в снижении расхода топлива, которая составила: - 13 % в городском режиме движения;

- 8 % в смешанном цикле;

- 4 % в загородном цикле.

13. Разработана базовая методика определения и расчета параметров основных компонентов ГСУ АТС, а также сформулированы основные принципы рационального выбора характеристик силовых агрегатов ГСУ.

1. Автомобильный справочник: Пер. с англ. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. - 992 с.

2. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин и др. — М.: Энергоатомиздат, 1982. 504 с.

3. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2008 году». М.: ООО «РППР РусКонсалтингГрупп» по заказу Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации, 2009. —488 с.

4. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Учеб./ В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Т.Ю. Кричевская и др.; Под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. — 3-е изд., перераб. — М.: Высш. шк., 2007.

5. Справочник по электрическим машинам: В 2 т./ Под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова.-М.: Энергоатомиздат, 1988.

6. Трансмиссии гибридного электромобиля / Д.И.Гурьянов, А.К.Макаров, С.А.Корчак, Нгуен Куанг Тхиеу, Лю Сяо Кан // Нетрадиционные электромеханические и электрические системы: Сб. научн. тр. 4-ой междунар. конф. Том 3. — Szczecin: 1999. С. 1402-1404.

7. Бахмутов C.B. Параметрическая оптимизация перспективного легкового автомобиля / C.B. Бахмутов, С. В.Богомолов, Р.Б. Висич. М.: МГТУ «МАМИ», 1999.

8. Богачев Ю.П. Электропривод нетрадиционных транспортных средств / Ю.П. Богачев, Д.В. Изосимов // Приводная техника. — 1998. №2.

9. Боровин Г.К. Математическое моделирование асинхронного электропривода с векторным управлением/ Г.К. Боровин, В.А. Мищенко, Н.И. Мищенко. — М.: Препринт, 1989. 27 с.

10. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными двигателями. / A.A. Булгаков. М.: Энергоиздат, 1982. — 216 с.

11. Гаспарянц Г.А. Конструкция, основы теории и расчета автомобиля / Г.А. Гаспарянц. -М.: Машиностроение, 1978. — 351 с.

12. Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением / В.А. Дартау, В.В. Рудаков, И.М. Столяров. — Л.: Энергоатомиздат, Л.О., 1987. — 136 с.

13. Златин П.А. Электромобили и гибридные автомобили / П.А. Златин, В.А. Кеменов, И.П. Ксеневич. — М.: Агроконсалт, 2004.

14. Ипатов A.A. Электромобили и автомобили с КЭУ / A.A. Ипатов, A.A. Эйдннов. М.: ФГУП «НАМИ», 2004.- 328с.

15. Каменев В.Ф. Гибридный автомобиль: проблемы и решения/ В.Ф. Каменев, Л.Ю. Лежнев // Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса: Тезисы докладов научно-технической конференции. М.: МАДИ (ГТУ), 2003.19.