автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Энергоэффективная система индивидуального электропривода ведущих колес транспортного средства

На правах рукописи

Лазарев Дмитрий Борисович

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ СИСТЕМА ИНДИВИДУАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВЕДУЩИХ КОЛЕС ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Специальность 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2014

2 / НАР 2014

005546388

005546388

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (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 Овсянников Евгении Михайлович,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет» (МАМИ), профессор кафедры «Электротехника», г. Москва. Минкин Илья Михайлович,

кандидат технических наук, заместитель генерального директора, ООО «Центр автомобильных технологий «КАРТЕХ».

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования" (ФГУП НИИАЭ).

Защита состоится «15» мая 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 техшиескнй университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г.Москва, Ленинградский проспект, д.64, ауд. 42.

Телефон для справок: (499) 155-93-24. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ. Автореферат разослан «14» марта 2014 г.

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

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.126.05,

кандидат технических наук, доцент ' Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Одной из перспективных тенденций в развитии транспортных средств с электромеханическими трансмиссиями является использование индивидуального электродвигателя для каждого из приводных колёс. Существует множество вариантов реализации данной концепции (привод через ремённую или цепную передачу; привод, осуществляемый через колёсный редуктор; мотор-колесо и т.д.), но при наличии у транспортного средства двух или более механически несвязанных приводных колёс возникает необходимость регулирования перераспределения энергопотоков между ними.

В Российской Федерации разработчики транспортных средств с электромеханической трансмиссией отмечают перспективность применения раздельного электропривода для каждого из колес. На такие разработки оформлено множество патентов, в которых отмечена необходимость применения регулирования энергопотоков между движителями. Например, патент на электропривод электромобиля РШ (11) 2146623 (13). В данном патенте (и в других, подобных этому) описываются технические решения организации механически независимого привода колёс, но вариантов решения проблемы электронного дифференциала (регулятора энергопотоков) не предлагается.

Исходя из вышесказанного, можно отметить, что на сегодняшний день явно присутствует тенденция использования механически независимого привода колёс транспортных средств с электромеханическими трансмиссиями. Применение регулирования энергопотоков является составной частью данной системы. Готовых технических решений отечественных разработчиков данной проблемы на сегодняшний день не существует.

Решение поставленной задачи проекта предлагается осуществить посредством разработки и изготовления системы индивидуального привода ведущих колес транспортного средства, включающей колесную пару с механически независимыми движителями и блок управления энергетическими потоками привода движителей с соответствующим

программно-аппаратным комплексом. При этом, наряду с основными требованиями данного типа привода(обеспечение высоких тягово-динамических характеристик, повышенной маневренности, активной безопасности движения АТС), особое внимание отведено вопросам повышения энергетической эффективности системы тягового электрооборудования и транспортного средства в целом.

Анализ отечественных и зарубежных научно-технических разработок (технологии автомобильных концернов BYD, Cadillac, Chevrolet, Honda, Lexus, Mercury, Saturn, Toyota, Volkswagen, Nissan, Tesla, Audi) и патентов позволяет объективно оценить существующие тенденции в развитии транспортных средств с электромеханическими трансмиссиями, конкурентоспособность предлагаемых технических решений и выявить те проблемы, которые наиболее актуальны в настоящее время.

Изготовление в рамках настоящего проекта экспериментальных образцов компонентов системы привода ведущих колес позволит провести опытные исследования эффективности принятых технических решений, проверить адекватность разработанных математических моделей, сопоставить результаты расчетных исследований с экспериментальными данными, дать качественную и количественную оценку технико-экономических показателей транспортных средств в случае оснащения последних колесными парами с механически независимыми движителями, практическим путем отработать различные алгоритмы работы системы и определить оптимизированный вариант, обеспечивающий высокие показатели энергетической и экологической эффективности.

Целью настоящей работы является обеспечение совокупности высоких тягово-динамических характеристик, повышенной маневренности, активной безопасности движения и пониженного энергопотребления АТС методом разработки автоматизированной технологии управления приводными электродвигателями системы колесной пары с механически независимыми движителями.

В рамках поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Разработка системы индивидуального привода ведущих колес транспортного средства, включающей колесную пару с механически независимыми движителями и блоком управления энергетическими потоками привода движителей.

2. Разработка системы энергоэффективного управления движителями колесной пары.

3. Разработка методики определения и расчета тягово-энергетических показателей основных компонентов электромеханической трансмиссии транспортного средства.

4. Разработка программных средств, обеспечивающих реализацию функций электронного дифференциала, антиблокировочной системы (АБС) тормозов и управления рекуперацией энергии при торможении.

5. Реализация разработанных технических решений в экспериментальных образцах колесной пары и блока управления движителями.

6. Опытная оценка основных электрических, тягово-энергетических и механических характеристик экспериментального образца колесной пары.

Методы исследований

При решении задач использованы современные математические методы, основные положения электротехники, электропривода, теорий автоматического управления и автомобиля. Применены методы и средства имитационного моделирования и опытных исследований, в том числе с использованием изготовленных экспериментальных образцов.

Объектом исследования являются энергоэффективные движители для легковых, грузовых автомобилей и автобусов, а также специальных экологических автотранспортных средств.

Научная новизна работы

Разработана система индивидуального привода ведущих колес транспортного средства, обеспечивающая совокупность высоких тягово-динамических характеристик и показателей энергоэффективности, отличающаяся оптимизированными массогабаритными показателями и

унифицированностью в части применения в составе АТС различного назначения. Реализовано независимое управление крутящим моментом и частотой вращения каждого движителя колесной пары, в том числе с целью повышения маневренности и активной безопасности транспортного средства.

На защиту выносятся:

1. Система индивидуального привода ведущих колес транспортного средства, включающая колесную пару с механически независимыми движителями и блок управления энергетическими потоками привода движителей.

2. Методика определения и расчета тягово-энергетических показателей основных компонентов электромеханической трансмиссии транспортного средства.

3. Программные средства, обеспечивающие реализацию функций электронного дифференциала, антиблокировочной системы тормозов и управления рекуперацией энергии при торможении.

4. Результаты расчетных и экспериментальных исследований электрических, тягово-энергетических и механических характеристик колесной пары.

Достоверность результатов обеспечивается:

- использованием современных математических методов;

- проведением экспериментальных исследований и испытаний;

- сопоставлением и анализом результатов, полученных расчетным и

опытным путем.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при выполнении работ, связанных с разработкой и созданием перспективных транспортных средств - электромобилей и автомобилей с комбинированными энергетическими установками. Результаты работы, в том числе аппаратно-программные средства, обеспечивающие реализацию функций электронного дифференциала, АБС и управления рекуперацией энергии при торможении использованы в ФГУП

НИИАЭ, ФГУП «НАМИ», а также в научно-исследовательских разработках и учебном процессе кафедры «Электротехника и электрооборудование» МАДИ.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

- 18-й Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы», МАДИ, г. Москва, 2014 г.;

- 68 - 72-й научно-методнческих и научно-исследовательских конференциях МАДИ, г. Москва, 2011 -2014 гг.;

- на расширенном заседании кафедры «Электротехника и электрооборудование» МАДИ, 2013 г.

Публикации

Основные положения и результаты исследований опубликованы в 7 печатных работах, в том числе пять публикаций в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 107 наименований. Содержит 182 страниц текста, в том числе рисунки, графики и таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе проведен анализ современных отечественных и зарубежных научно-технических разработок в области систем управления

электродвигателями транспортных средств с механически независимыми движителями. Представлен аналитический обзор транспортных средств, отличающихся высокими показателями энергетической эффективности и экологической безопасности. Рассмотрены возможные структурные схемы колесных пар (КП) с механически независимыми движителями (МНД) для транспортных средств с указанием конкретных примеров из существующих разработок, выделены преимущества и недостатки каждой из схем.

Основной вывод, который можно сделать, рассматривая существующие разработки АТС с КЭУ и электромобилей — это применение тягового электропривода без индивидуального управления ведущими колесами. Однако данный факт относится к транспортным средствам, находящимся в серийном производстве. Схемы и состав энергетических установок данных транспортных средств защищены международными патентами. Учитывая развитие автотранспортного комплекса нашей страны, а также существующие разработки в области автотранспортных средств с электроприводом, перспективным направлением является разработка и внедрение АТС с индивидуальным приводом ведущих колес. В настоящий момент в данной сфере существует много вопросов, в том числе по организации эффективного управления тяговыми электродвигателями-генераторами, выбору оптимальной структуры и конструкции механически независимых движителей колесных пар для транспортного средства, а также обеспечению повышенной маневренности и активной безопасности АТС.

Колесная пара с механически независимыми движителями представляет собой ведущий мост автотранспортного средства, при этом колеса АТС приводятся во вращение не от единой силовой установки через механический дифференциал, а непосредственно электродвигателями. Структурные схемы колесных пар с механически независимыми движителями для транспортных средств можно условно разделить на следующие основные типы:

- КП с несущей конструкцией общего ведущего моста и двумя механически независимыми движителями;

-КП с двумя полуосями, угловыми редукторами и механически независимыми движителями;

- КП с двумя полуосями и механически независимыми движителями;

- КП с механически независимыми движителями на основе мотор-колёс.

Проведенный обзор конструктивных схем и характеристик механически

независимых движителей для транспортных средств позволил сделать сравнительную оценку технико-экономических и эксплуатационных показателей, определяющую эффективность КП для транспортного средства; осуществить выбор и обоснование структуры и состава КП с механически независимыми движителями для экспериментального образца.

Вариант структуры КП с двумя полуосями, угловыми редукторами и механически независимыми движителями конструктивно и по составу компонентов позволяет воссоздать режимы работы колесной пары транспортного средства и процесс управления .энергопотоками движителей, характерные для всех рассмотренных вариантов структурных схем КП. Исходя из этого, данный вариант предложен для реализации в экспериментальном образце КП с МНД.

Анализ характеристик современных автотранспортных средств позволил заключить, что в качестве ЭДГ для колесных пар АТС распространение получили два типа бесконтактных электрических машин переменного тока:

- синхронные с возбуждением от постоянных магнитов;

- асинхронные с короткозамкнутым ротором.

Использование данных типов ЭДГ предложено к использованию в составе привода движителей экспериментального образца колесной пары с МНД.

Во второй главе рассмотрены вопросы выбора структуры и состава колесной пары с механически независимыми движителями, дано обоснование принятых технических решений для экспериментального образца, в том числе по конструктивному исполнению основных компонентов.

В результате сравнительного анализа показателей качества вариантов колесных пар транспортных средств в качестве базовой структурной схемы экспериментального образца выбран вариант КП с двумя полуосями, угловыми редукторами и механически независимыми движителями, обладающий наиболее высокими технико-экономическими показателями в сравнении с другими рассматриваемыми решениями.

Структурная схема варианта КП с двумя полуосями, угловыми редукторами и механически независимыми движителями представлена на рисунке 1.

БУД

ЭДГ, -о-о-

\

. ПО УР,

Рисунок 1. Структурная схема КП с двумя полуосями, угловыми редукторами и механически независимыми движителями

БУД - блок управления движителями; ЭДГ - электродвигатель-генератор; УР - угловой редуктор;

УМС — устройство механической связи ЭДГ и УР;

ПО - полуось;

ВК - ведущие колеса.

Обоснование принятого решения по структуре и составу колесной пары исходит из преимуществ указанного варианта, в том числе:

- относительная простота конструкции;

- возможность индивидуального управления тяговым или тормозным усилием на колесах с целью повышения маневренности транспортного средства и проходимости в неблагоприятных дорожных условиях;

- повышение маневренности и управляемости транспортного средства за счет использования независимой подвески;

- возможность использования компонентов КП серийного производства.

При этом учитывались:

- относительная простота технической реализации при умеренных материальных затратах;

- возможность сокращения сроков изготовления экспериментального образца колесной пары;

- возможность использования серийной ходовой части транспортного средства без радикального изменения конструкции последнего;

- возможность эффективного использования отечественных разработок и комплектующих изделий при ограниченных материальных затратах.

Блок управления движителями (БУД) в составе колесной пары-устройство, осуществляющее преобразование электрической энергии первичного источника и автоматическую реализацию оптимизированного управления ЭДГ в двигательном и генераторном режимах по заданию системного контроллера управления колесных пар транспортного средства.

Исполнение БУД базируется на комплексной оптимизации функциональных узлов по конечным показателям эффективности системы в целом. При этом компоненты БУД группируются в минимальное количество автономных функциональных блоков, что обеспечивает:

- возможность индивидуального изготовления, отладки конструктивно законченных крупных блоков, поставки их на сборку системы и комплексные испытания на стенде и транспортном средстве;

- организацию технического обслуживания и ремонта путем целевого автоматизированного диагностирования и оперативной замены неисправных узлов с последующим их восстановлением;

- снижение трудовых и материальных затрат на производство и эксплуатацию БУД;

- реализацию эффективных способов преобразования электрической энергии в механическую и управления процессом потребления энергии с минимальными потерями.

Структурная схема колесной пары и состав функциональных компонентов блока управления движителем представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема функциональных компонентов экспериментального образца БУД в составе колесной пары

ТР - тормозной реостат; БСК - блок силовой коммутации; ИГП -источник гарантированного питания; КПУ - комплект преобразовательного оборудования и устройств управления; КСП - комплект силовых преобразователей напряжения; БАУ - блок автоматического управления; ПДУ - пульт дистанционного управления; ЭДГ - электродвигатель-генератор; ВК - ведущее колесо; УМС - устройство механической связи ВК и ЭДГ.

Значения основных характеристик компонентов экспериментального образца КП с МНД определялись посредством разработанной методики определения и расчета тягово-энергетических показателей компонентов

электромеханической трансмиссии транспортного средства. При этом в качестве базового АТС был выбран автомобиль с полной массой G=3,5 т., условия движения - ездовые циклы согласно правилам ЕЭК ООН. К АТС из указанного типоразмерного ряда относятся, получившие широкое распространение в качестве маршрутных транспортных средств, а также автомобилей для коммерческих грузоперевозок, АТС типа ГАЭ-322132 «Газель», LDV Maxus, Fiat Ducato, Ford Transit Bus, Mercedes-Benz Sprinter. Среди указанных транспортных средств в общем объеме автопарка крупных городов значительная доля АТС отечественного производства, которые отличаются конструктивным исполнением, не требующим больших затрат на модификацию, что, в конечном итоге, обусловило выбор последних в качестве возможной реализации результатов работы.

Основные расчетные зависимостидля определения тягово-энергетических показателей компонентов электромеханической трансмиссии транспортного средства, используемые согласно разработанной методике. Силы сопротивления, действующие на АТС при движении:

- сила сопротивления качению F„ = Gcp;

- сила инерции Fj =j- — ;

g

- сопротивление воздушной среды Fv = S-kv-V2/g;

- сопротивление при подъеме с углом a Fa =Gtga;

- суммарная сила сопротивления движению на колесе

Fk=F9+Fj+Fv+Fa>

ede. G - полная масса ТС; <р - коэффициент сопротивления качению; j -ускорение (замедление) при движении; g - ускорение свободного падения; S -площадь фронтальной проекции автомобиля; kv - коэффициент сопротивления воздушной среды; V - скорости движения ТС; а - угол подъема при движении.

М■ п,:

- мощность на ВК ТС Рк= —9?4 ;

М П ■ пП

- мощность на валу ЭДГ Рд=————;

- мощность на выходе БУД Рп=~;

Р

- мощность нагрузки БУД = —;

Пп

- эффективность электромеханического преобразования энергии

г

- расход энергии за цикл движения ТС Эц = ,

где: Мк - крутящий момент на ВК; Мд - крутящий момент на валу ЭДГ; Пк -частота вращения ВК ТС; щ - частота вращения ротора ЭДГ; г]Л - КПД ЭДГ; г/,, - КПД тягового преобразователя

Проведенные расчетные исследования позволили сформировать требования к характеристикам устройств механической передачи крутящего момента, а также тяговых ЭДГ. При этом для движителей колесной пары выбор максимальной мощности ЭДГ определялся значением максимальной требуемой мощности для движения базового АТС в городском цикле. Максимальныезначения частоты вращения, мощности и момента на ведущих колесах КП в городском цикле движения, соответствующих требуемым характеристикам выходного вала углового редуктора, а также аналогичные показатели для входного вала УР и вала ЭДГ представлены в таблице 1.

Таблица /.—Минимальные требуемые параметры компонентов колесной пары (УР и ЭДГ) по условию реализации типового городского цикла движения

Параметр на ВК КП на выходном валу УР на валу ЭДГ

Максимальный момент, Н-м 1320 660 138

Максимальная частота вращения в городском цикле, мин"1 415 415 2075

Максимальная мощность, кВт 37 18,5 19,3

При выборе для экспериментального образца колесной пары ЭДГ и угловых редукторов, а также устройств механической связи компонентов колесной пары, значения, указанные в таблице 1, являлись определяющими.

Результаты расчетных исследований, а также принятые технические решения в отношении структуры, состава и характеристик электромеханического узла трансмиссии АТС и тягового электрооборудования, представлены на рисунке 3 и 4, где показано конструктивное исполнение экспериментальных образцов (ЭО) колесной пары и блока управления движителями.

Рисунок 3. Экспериментальный образец колесной пары с механически независимыми движителями

Рисунок 4. Общий вид экспериментального образца блока управления движителями колесной пары (КПУ - комплект преобразовательного оборудования и устройств управления, БСК — блок силовой коммутации)

Третья глава посвящена теории и практической реализации индивидуального управления ЭДГ с целью обеспечения функций автомобильного дифференциала, повышения маневренности транспортного средства и проходимости в неблагоприятных дорожных условиях. Сформирована математическая модель системы управления энергопотоками привода движителей КП с последующей ее реализацией в виде автономного программного обеспечения.

Как известно, задачу распределения крутящего момента между ведущими колесами и обеспечение различной угловой скорости ВК в автомобилях традиционной конструкции решает механический дифференциал. В случае независимых движителей с индивидуальным управлением ЭДГ задание режимов работы последних должно осуществляться таким образом, чтобы обеспечить исполнение функции аналогичной механическому дифференциалу. Таким образом, неотъемлемой функцией системы управления тяговыми электродвигателями-генераторами колесной пары является функция так называемого электрического

(электронного) дифференциала. Математическое описание данной функции исходит из указанных ниже положений.

Суммарная сила действующая на колесную пару АТС, определяется разницей между суммой сил на колесах (7ч + Р2) и силами сопротивления, определяемыми силами трения, а так же проекцией силы тяжести АТС на траекторию движения.

Суммарный момент М, действующий на колесную пару определяется,

Д/ — д/

разницей между вращающими моментами —^—-¿2.. и на колесах радиусом

Кк и соответствующими моментами сил сопротивления (Мс) при известной ширине колеи Н.

Линейные скорости колес (V) и У?) связаны с угловыми скоростями ВК через их радиус и с угловой скоростью вала электродвигателя через передаточное отношение углового редуктора.

При движении АТС по криволинейной траектории с радиусом Я внутреннее колесо движется со скоростью:

V У

2 1 к

Таким образом, уравнения движения колесной пары определяются поступательной и вращательной компонентами и могут быть записаны в следующем виде:

' ттс = —^—- - Т.К ,

" к

К ~Уг г _МХ-М2

н тс~ як '

где — линейные ускорения наружного и внутреннего ведущих колёс;

М\ и Мг — моменты наружного и внутреннего ведущих колёс; ттс и J — масса и момент инерции транспортного средства.

В основе реализации управления силовыми ЮВТ-модулями трехфазных инверторов в процессе формирования трехфазного напряжения, регулируемого в полном диапазоне 0 < 11ф < Ифтах и 0< < лежат

математические зависимости и векторные уравнения напряжений обмоток асинхронной машины:

= /Л + 4 (Ал + )+ /«Д'

где " ' — соответственно векторы потокосцепления статора и ротора;

— векторы напряжений на обмотках статора и ротора;

- векторы токов в обмотках статора и ротора;

Да Л,- - активные сопротивления обмоток статора и ротора;

£„ Ьг - полные индуктивности обмоток статора и ротора;

1„, - взаимная индуктивность обмоток статора и ротора (полная

индуктивность обмотки статора от основного магнитного потока);

(ок - угловая скорость системы координат;

о) - угловая частота вращения ротора электрической машины с

одной парой полюсов.

Представленные выражения являются базой для описания динамики колесной пары транспортного средства, движущегося по криволинейной траектории.

Математическая модель, включающая уравнения динамики КП, а также аналитические зависимости, описывающие процесс электромеханического преобразования энергии в асинхронной машине с короткозамкнутым ротором, с использованием специализированной среды компьютерного моделирования была реализована в виде автономного программного обеспечения (ПО). Разработанное ПО предназначено для имитационного моделирования процессов распределения энергопотоков независимых индивидуальных движителей и позволяет воспроизводить различные режимы работы компонентов колесной пары в заданных условиях движения транспортного средства, выполняя при этом функции электронного дифференциала, антиблокировочной системы тормозов и управления рекуперацией энергии при торможении.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований системы тягового электрооборудования для транспортного средства с индивидуальным приводом ведущих колес.

Основной задачей исследований являлась практическая (экспериментальная) оценка функциональных и параметрических характеристик электрооборудования электропривода колесной пары. Методика испытаний экспериментальных образцов КП и БУД состояла в опытной оценке основных характеристик и зависимостей, как отдельных компонентов колесной пары, так и результирующих показателей изготовленных образцов посредством прямого и косвенного измерения их электрических, тягово-энергетических и механических параметров.

Испытания экспериментальных образцов колесной пары и блока управления движителями в составе колесной пары осуществлялись с использованием специально оборудованного стенда, включающего: нагрузочные агрегаты, устройства управления, измерительную и регистрирующую аппаратуру. Следует отметить, что источником энергии при проведении стендовых испытаний являлась трехфазная сеть с последующим выпрямлением переменного напряжения в постоянное для питания БУД. Имитация нагрузки тяговых электродвигателей-генераторов колесной пары реализована при помощи управляемых нагрузочных машин постоянного тока. Состав и функциональная электрическая схема стенда для проведения экспериментальных исследований отражены на рисунке 5.

ВСН | | БСК

иен

ИНН I

ЭДГ1

тт

ИПН2

ЭДГ2

т

-15

-П поу

-I_

РВ

НЭМ1

НЭМ2

и

Рисунок 5. Функциональная электрическая схема стенда испытаний экспериментальных образцов КП и блока управления движителями

где, Т - управляемый трансформатор; ВСН - выпрямитель силового напряжения; БСК - блок силовой коммутации; ИСН - источник служебного назначения; ИПН — инвертор постоянного напряжения; ПОУ — пульт оперативного управления; ЭДГ - электродвигатель-генератор; РВ — регулятор возбуждения НЭМ; НЭМ - нагрузочная электромашина; РТ -регулятор тока НЭМ; Бпр - датчик положения ротора.

В ходе испытаний экспериментальных образцов получены следующие результаты:

а) зависимости сигнала управления (задания) пульта оперативного управления от внешних воздействий;

б) зависимости выходных сигналов датчиков обратных связей по напряжению (Би), току и частоте вращения (Б£) от внешних воздействий;

в) характеристики выполнения оперативных функций блоком силовой коммутации;

г) результаты регистрации и оценки выходного напряжения 17ф и тока 1ф фаз ИПН.

Определены характеристики движителей колесной пары, в том числе:

- зависимости крутящего момента ЭДГ от частоты f2 при постоянных (заданных) величинах 1ф в пределах 1фн(т. <1ф< Ъ1фном. (см, рисунок 6) с целью выявления зависимости частоты от величины 1ф при максимальных величинах Мд = Мтах, определяющие оптимальную зависимость между Мд и 1ф (см. рисунок 7).

- выявлены механические характеристики ЭДГ и колесной пары (см. рисунок 8 и 9). При этом была определена область регулирования механической характеристики ЭДГ Мд(п) и колесной пары при оптимальной зависимости Мд(1ф) в пределах частоты вращения ротора ЭДГ 0 < п < 1430 мин'1 и максимальных моментов ЭДГ (Мдмакс= 196 Н-м; Ми7д<акс=1900 Н-м);

- подтверждена возможность реализации плавного регулирования крутящего момента в диапазоне изменения частоты вращения ротора ЭДГ

0 < ид < 2900 мин"1 и ведущих колес 0 < пек < 580 мин"'.

Рисунок 6.

% - 35,5 А

1,-17,7 А

Зависимости крутящего момента ЭДГ от частоты при постоянных величинах 1ф

Рисунок 7. Оптимальная зависимость крутящего момента ЭДГ движителя колесной пары от тока фазы

Мд, Нм; 1фх 2, А: Рд х 10, кВт 300

0 О

Рисунок 8.

500 1000 1500 2000

Зависимости момента, мощности на валу и тока фазы ЭДГ движителя КП от частоты вращения ротора

Пд, мин-1

Рисунок 9. Зависимость момента на ведущем колесе Мвк ч суммарного момента Мкп колесной пары от частоты вращения ведущих колес

При испытаний экспериментальных образцов получены результаты регистрации и оценки качества переходных процессов в системе ИПН-ЭДГ при реализации заданий по режиму работы ЭП согласно типовому графику движения ТС, в том числе:

- устойчивое (без перерегулирования) достижение заданной величины 1ф по сигналу ПОУ;

- поддержание заданного 1ф в режиме разгона;

- переход на заданный 1ф в режиме, соответствующем равномерному движению ЭДГ;

- переход ЭДГ на генераторное (рекуперативное) торможение.

- снижение до 1Ф = 0 при остановке ТС;

- реверс вращения вала ЭДГ при реализации движения ТС в обратном направлении.

Полученные характеристики экспериментальных образцов, в том числе достигнутые значения эквивалентной максимальной мощности колесной пары и блока управления движителями - 60 кВт и максимального развиваемого

момента колесной пары - 1900 Н-м, обеспечивают возможность применения последних в составе переднего или заднего моста транспортных средств с полной массой до 3,5 т.

В заключении представлены основные полученные результаты и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Выполнен детальный анализ существующих технических решений, конструктивных схем и характеристик транспортных средств с индивидуальным приводом ведущих колес. Полученные результаты позволили сделать сравнительную оценку технико-экономических и эксплуатационных показателей, определяющих эффективность КП для транспортного средства, осуществить выбор и обоснование оптимальной структуры и состава КП с механически независимыми движителями для экспериментального образца.

2. Разработана система индивидуального привода ведущих колес транспортного средства, обеспечивающая совокупность высоких тягово-динамических характеристик и показателей энергоэффективности, отличающаяся оптимизированными массогабаритными показателями и унифицированностью в части применения в составе АТС различного типо размерного ряда и назначения.

3. Разработана система энергоэффективного управления движителями колесной пары, реализующая оптимальную (по критерию достижения максимального развиваемого момента и минимизации электрических потерь) зависимость между моментом на валу каждого из тяговых асинхронных электродвигателей-генераторов и током статора.

4. Разработана методика определения и расчета тягово-энергетических показателей основных компонентов электромеханической трансмиссии транспортного средства с индивидуальным приводом ведущих колес. Использование указанной методики позволило сформировать требования к характеристикам устройств механической передачи крутящего момента и

тяговых ЭДГ, осуществить рациональный выбор комплектующих устройств для экспериментальных образцов КП и БУД.

5. Сформирована математическая модель, включающая уравнения динамики КП, а также аналитические зависимости электромеханического преобразования энергии в асинхронной машине, и реализованная в виде автономного программного обеспечения, позволяющего воспроизводить различные режимы работы компонентов колесной пары в условиях заданных условий движения АТС, выполняя при этом функции электронного дифференциала и управления рекуперацией энергии при торможении.

6. Разработанные технические решения реализованы в экспериментальных образцах колесной пары и блока управления движителями. Использование последних в ходе опытных исследований позволило подтвердить адекватность разработанных методик, достоверность результатов расчетов и математического моделирования.

7. Сформулированы рекомендации по применению полученных результатов при разработке и создании перспективных видов транспортных средств с независимым приводом ведущих колес. Результаты работы ориентированы на использование в электромобилях, а также автомобилях с КЭУ, как при новых разработках указанных транспортных средств, так и в случае модификации существующих серийных автомобилей.

8. Разработаны программа и методика испытаний экспериментальных образцов колёсной пары с механически независимыми движителями и блока управления энергетическими потоками привода движителей в составе колёсной пары.

9. Проведены испытания экспериментальных образцов колесной пары и блока управления энергетическими потоками и получено подтверждение ожидаемых характеристик отдельных компонентов и системы в целом.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные в научных рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Лазарев Д.Б., Результаты стендовых испытаний унифицированного электромеханического узла трансмиссии транспортного средства с индивидуальным приводом ведущих колес / K.M. Сидоров, В.Е. Ютт, Д.Б. Лазарев // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 1.

2. Лазарев Д.Б.,Обзор разработок транспортных средств с комбинированными силовыми энергоустановками / Лазарев Д.Б. // Современные проблемы науки и образования. -2014. - № 1.

3. Лазарев Д.Б., Повышение энергетической эффективности тягового электропривода транспортных средств с независимыми индивидуальными движителями / Т.В. Голубчик, В.Е. Ютт, К.Т. Нгуен, Д.Б. Лазарев // Современные проблемы науки и образования. -2014. -№ 1.

4. Лазарев Д.Б., Методика расчёта статических потерь в моп-транзисторе интеллектуального ключа / Л.С. Феофанова, С.М. Мороз, Д.Б. Лазарев // Современные проблемы науки и образования. -2014. -№ 1.

5. Лазарев Д.Б., Разработка алгоритмов работы электрического дифференциала с микропроцессорным управлением с использованием интеллектуальных ключей / Д.Б. Лазарев, Т.В. Голубчик, И.Р. Насибулова, Л.С. Феофанова, С.А. Феофанов // Современные проблемы науки и образования. 2014. - № 2.

Публикации в других изданиях:

6. Лазарев Д.Б. Массогабаритные характеристики гибридных энергетических установок автомобилей / Д.Б. Лазарев, Д.В. Дергачев, Т.В. Голубчик // Аспирант и соискатель. 2013. № 6 (78). С. 156-158.

7. Лазарев Д.Б. Адаптация программного обеспечения для управления энергопотоками колесной пары / Д.Б. Лазарев, Д.В. Дергачев, Т.В. Голубчик // Аспирант и соискатель. 2013. № 6 (78). С. 159-167.

Подписано в печать: 12.03.14 Тираж: 100 экз. Заказ № 1093 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект, д. 74 (495)790-47-77; www.reglet.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(МАДИ)

УДК 62-833.4 На правах рукописи

04201457437

ЛАЗАРЕВ ДМИТРИЙ БОРИСОВИЧ

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ СИСТЕМА ИНДИВИДУАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВЕДУЩИХ КОЛЕС ТРАНСПОРТНОГО

СРЕДСТВА

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

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................7

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РАБОТ В ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ПРИВОДНЫХ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С МЕХАНИЧЕСКИ НЕЗАВИСИМЫМИ ДВИЖИТЕЛЯМИ.............................................................12

1.1. Аналитический обзор транспортных средств, отличающихся высокими показателями энергетической эффективности и

экологической безопасности....................................................................... 12

1.1.1. Обзор существующих разработок транспортных средств с комбинированными силовыми установками..............................................12

1.1.2. Обзор существующих разработок электромобилей....................30

1.2. Аналитический обзор конструктивных схем и характеристик

механически независимых движителей для транспортных средств.... 37

1.2.1. Общие положения.............................................................................3 7

1.2.2. Типовой вариант структуры и состава КП с одним движителем механически зависимых колес......................................................................37

1.2.3. Вариант структуры и состава КП с несущей конструкцией общего ведущего моста и двумя механически взаимонезависимыми движителями в части тягового (тормозного) усилия и частоты вращения.........................................................................................................40

1.2.4. Вариант структуры и состава КП с двумя полуосями, угловыми редукторами и механически взаимонезависимыми движителями.........43

1.2.5. Вариант структуры и состава КП с двумя полуосями и механически взаимонезависимыми движителями....................................46

1.2.6. Вариант структуры и состава КП с механически взаимонезависимыми движителями на основе мотор-колёс..................50

1.3. Обзор существующих разработок систем управления работой

приводных электродвигателей транспортнбтх средств с механически независимыми движителями........................................................................53

1.3.1. Общие положения.............................................................................53

1.3.2. Классификация систем управления тяговым электроприводом по типу первичного источника электроэнергии и используемых электрических машин...................................................................................54

1.3.3. Обзор существующих разработок и известных технических решений по способам реализации дифференциального управления механически взаимонезависимыми ведущими колесами транспортного средства.........................................................................................................56

ВЫВОДЫ ПО главе..............................................................................................60

2. ВЫБОР СТРУКТУРЫ И СОСТАВА КОЛЕСНОЙ ПАРЫ С МЕХАНИЧЕСКИ НЕЗАВИСИМЫМИ ДВИЖИТЕЛЯМИ.............................62

2.1. Предложение и обоснование варианта экспериментального

образца колесной пары по структуре и составу компонентов..............64

2.2. Состав и назначение основных функциональных компонентов

БУД колесной пары.........................................................................................66

2.3. Предложения по выбору варианта ЭДГ для экспериментального

образца колесной пары...................................................................................71

2.4. Методика выбора тягово-энергетических показателей ЭДГ для

экспериментального образца колесной пары...........................................72

2.4.1. Исходные данные для тягово-энергетического расчета...............72

2.4.2. Расчетные величины и их обозначения.............................................75

2.4.3. Основные расчетные зависимости...................................................76

2.5. Определение основных характеристик компонентов

экспериментального образца колесной пары с механически независимыми движителями........................................................................80

2.5.1. Общие положения...............................................................................80

2.5.2. Результаты тягово-энергетического расчета...............................81

2.5.3. Определение параметров тяговой аккумуляторной батареи (для случая реализации ЭО КП и БУД на электромобиле)...............................90

2.5.4. Определение требуемых характеристик тягового электродвигателя-генератора и углового редуктора..............................91

2.6. Конструктивное исполнение экспериментального образца

колесной пары с механически независимыми движителями................93

2.6.1. Состав экспериментального образца колесной пары с МНД (сборочные единицы)....................................................................................93

2.6.2. Функциональное назначение и характеристики основных компонентов экспериментального образца колесной пары.....................93

2.6.3. Общий вид экспериментального образца колесной пары с МНД 104

2.7. Описание технического исполнения экспериментального образца

БУД в составе колесной пары..................................................................... 106

3. ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В СИСТЕМЕ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, ДВИЖУЩЕГОСЯ ПО КРИВОЛИНЕЙНОЙ ТРАЕКТОРИИ........................110

3.1. Физические процессы движения транспортного средства...........110

3.1.1. Движение ТС на высокой скорости............................................110

3.1.2. Движение ТС на малой скорости..................................................113

3.1.3 Динамика системы колесной пары транспортного средства, движущегося по криволинейной траектории..........................................115

3.2. Адаптация программного обеспечения БУД....................................116

3.2.1. Схема замещения асинхронной машины.......................................120

3.3. Определение параметров силовых энергопотоков в приводе колёсной пары ТС..........................................................................................126

3.3.1. Расчет энергетических показателей для случая прямолинейного движения......................................................................................................127

3.3.2. Расчет энергетических показателей для случая криволинейного

движения......................................................................................................129

3.4. Программное обеспечение для управления энергопотоками

независимых индивидуальных движителей транспортных средств.. 131 3.4.1. Ввод исходных данных......................................................................132

3.4.2 Ввод параметров закона изменения скорости...............................137

3.4.3 Задание параметров транспортного средства и колесной пары 138

3.4.4 Выбор параметров приводного электродвигателя и частотного

преобразователя..........................................................................................138

3.4.5. Задание параметров поворота.......................................................139

3.4.6 Ввод параметров модели..................................................................140

3.4.7 Управление выполнением программы..............................................141

3.4.8 Управление скоростью движения и поворотом.............................143

3.4.9 Управление течением процесса........................................................144

3.4.10 Индикация результатов работы программы...............................145

3.5. Проверка достоверности математической модели и алгоритмов

работы программного обеспечения........................................................... 147

Выводы по главе............................................................................................150

4. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ КОЛЁСНОЙ ПАРЫ, РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ.....................................................................................................151

4.1. Цель испытаний.....................................................................................151

4.1.1. Планируемый состав результатов испытаний экспериментальных образцов колесной пары и блока управления движителями...............................................................................................151

4.1.2. Формат представляемых результатов испытаний...................153

4.1.3. Техническое обеспечение испытаний............................................153

4.2. Результаты испытаний экспериментальных образцов колесной пары и блока управления движителями.................................................... 155

4.2.1. Общие сведения...............................................................................155

4.2.2. Описание полученных результатов..............................................155

4.3. Рекомендации по использованию результатов исследований при создании автоматизированных систем управления механически

независимыми движителями АТС.............................................................161

выводы по главе............................................................................................ 163

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.....................................................................................164

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................................168

Обозначения и сокращения

АБ - аккумуляторная батарея

АСМ - амплитудно-ступенчатая модуляция

АТС - автотранспортное средство

АИ - автономный инвертор

АМ - асинхронная электрическая машина с короткозамкнутым ротором

Б - бензиновый ДВС

БАУ - блок автоматического управления

БНЭ - батарея накопителей энергии

БУД - блок управления движителем

ВК - ведущие колеса

ВМ - ведущий мост

ГСУ - гибридная силовая установка

Д - дизельный ДВС

ДВС - двигатель внутреннего сгорания

ДР - дифференциальный редуктор

ДКП - движитель колесной пары

ДГУ - дизель-генераторная установка

КП - колесная пара

КПУ - комплект преобразовательного оборудования и устройств управления

КСП - комплект силовых преобразователей напряжения

КЭУ - комбинированная энергетическая установка

МНД - механически независимый движитель

МПК - микропроцессорный контроллер

НПЧ - непосредственный преобразователь частоты

ПО - программное обеспечение

ПДУ - пульт дистанционного управления

ПЭВМ - персональная электронная вычислительная машина

СМ - синхронная электрическая машина с возбуждением от постоянных магнитов (ПМ)

ТП - техническое предложение

ТР - тормозной реостат

ТС - транспортное средство

ТЭД - тяговый электродвигатель-генератор

УВ - управляемый выпрямитель

УМС - устройство механической связи

УПН - управляющий преобразователь напряжения

УР - угловой редуктор

ФБ - функциональный блок

ШИМ - широтно-импульсная модуляция

ШИП - широтно-импульсный преобразователь

ШИР - широтно-импульсное регулирование

ШРУС - шарниры равных угловых скоростей

ЭДГ - электродвигатель-генератор

ЭО - экспериментальный образец

ВВЕДЕНИЕ

Одной из перспективных тенденций в развитии транспортных средств с электромеханическими трансмиссиями является использование индивидуального электродвигателя для каждого из приводных колёс. Существует множество вариантов реализации данной концепции (мотор-колесо; привод, осуществляемый через колёсный редуктор; привод через ремённую или цепную передачу и т.д.), но при наличии у транспортного средства двух или более механически несвязанных приводных колёс возникает необходимость регулирования перераспределения энергопотоков между ними.

В Российской федерации разработчики транспортных средств с электромеханической трансмиссией отмечают перспективность применения раздельного электропривода для каждого из колес [5,12,22-26,31-35]. На такие разработки оформлено множество патентов, в которых отмечена необходимость применения регулирования энергопотоков между движителями. Например, патент на электропривод электромобиля 1Ш (11) 2146623 (13). В данном патенте (и в других, подобных этому) описываются технические решения организации механически независимого привода колёс, но вариантов решения проблемы электронного дифференциала [37,4044,58,59,65] (регулятора энергопотоков) не предлагается.

Исходя из вышесказанного, можно отметить, что на сегодняшний день явно присутствует тенденция использования механически независимого привода колёс транспортных средств с электромеханическими трансмиссиями. Применение регулирования энергопотоков является составной частью данной системы. Готовых технических решений отечественных разработчиков данной проблемы на сегодняшний день не существует.

Решение поставленной задачи проекта предлагается осуществить посредством разработки и изготовления системы индивидуального привода ведущих колес транспортного средства, включающей колесную пару с механически независимыми движителями и блок управления

энергетическими потоками привода движителей с соответствующим программно-аппаратным комплексом. При этом, наряду с основными требованиями к данному типу привода, такими как обеспечение высоких тягово-динамических характеристик, повышенной маневренности, активной безопасности движения АТС, особое внимание отведено вопросам повышения энергетической эффективности, как системы тягового электрооборудования, так и транспортного средства в целом.

Результаты проекта, такие как анализ отечественных и зарубежных научно-технических источников и патентов, позволяют объективно оценить существующие тенденции в развитии транспортных средств с электромеханическими трансмиссиями, конкурентоспособность

предлагаемых технических решений и выявить те проблемы и пути их решения, которые наиболее актуальны в настоящее время.

Изготовление в рамках настоящего проекта экспериментальных образцов компонентов системы привода ведущих колес позволит провести опытные исследования эффективности принятых технических решений, проверить адекватность разработанных математических моделей, сопоставить результаты расчетных исследований с экспериментальными данными, дать качественную и количественную оценку технико-экономических показателей транспортных средств в случае оснащения последних колесными парами с механически независимыми движителями, практическим путем отработать различные алгоритмы работы системы и определить оптимизированный вариант, обеспечивающий высокие показатели энергетической и экологической эффективности.

Целью настоящей работы является обеспечение совокупности высоких тягово-динамических характеристик, повышенной маневренности, активной безопасности движения и пониженного энергопотребления АТС методом разработки автоматизированной технологии управления приводными электродвигателями системы колесной пары с механически независимыми движителями.

В рамках поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Разработка системы индивидуального привода ведущих колес транспортного средства, включающей колесную пару с механически независимыми движителями и блоком управления энергетическими потоками привода движителей.

2. Разработка системы энергоэффективного управления движителями колесной пары.

3. Разработка методики определения и расчета тягово-энергетических показателей основных компонентов электромеханической трансмиссии транспортного средства.

4. Разработка программных средств, обеспечивающих реализацию функций электронного дифференциала, антиблокировочной системы (АБС) тормозов и управления рекуперацией энергии при торможении.

5. Реализация разработанных технических решений в экспериментальных образцах колесной пары и блока управления движителями.

6. Опытная оценка основных электрических, тягово-энергетических и механических характеристик экспериментального образца колесной пары.

Методы исследований

При решении задач использованы современные математические методы, основные положения электротехники, электропривода, теорий автоматического управления и автомобиля. Применены методы и средства имитационного моделирования и опытных исследований, в том числе с использованием изготовленных экспериментальных образцов.

Объектом исследования являются энергоэффективные движители для легковых, грузовых автомобилей и автобусов, а также специальных экологических автотранспортных средств.

Научная новизна работы

Разработана система индивидуального привода ведущих колес транспортного средства, обеспечивающая совокупность высоких тягово-динамических характеристик и показателей энергоэффективности, отличающаяся оптимизированными массогабаритными показателями и унифицированностью в части применения в составе АТС различного назначения. Реализовано независимое управление крутящим моментом и частотой вращения каждого движителя колесной пары, в том числе с целью повышения маневренности и активной безопасности транспортного средства.

На защиту выносятся:

1. Система индивидуального привода ведущих колес транспортного средства, включающая колесную пару с механически независимыми движителями и блок управления энергетическими потоками привода движителей.

2. Методика определения и расчета тягово-энергетических показателей основных компонентов электромеханической трансмиссии транспортного средства.

3. Программные средства, обеспечивающие реализацию функций электронного дифференциала, антиблокировочной системы тормозов и управления рекуперацией энергии при торможении.

4. Результаты расчетных и экспериментальных исследований электрических, тягово-энергетических и механических характеристик колесной пары.

Достоверность результатов обеспечивается:

- использованием современных математических методов;

- проведением экспериментальных исследований и испытаний;

- сопоставле�