автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Индивидуальное транспортное средство с электроприводом и емкостным накопителем энергии

од

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО И ТРАКТОРНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ (МАМИ)

На правах рукописи

\

Аль-масуд Тауфик

кндаедуальное транспортное средство с зтохтропраазодом и емхостньм накопителе энергии

Специальность 05.09.03. "Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

^аоота выполнена на кафедре "электротехника и компьютеризированные электромеханические системы" Московской государственной академии автомобильного и тракторного машиностроения (МАШ).

Научный руководитель - академик АЭН, д-р техн. наук,

профессор Петленко Б. И.

Официальные оппоненты: академик АЭН, д-р техн. наук,

профессор Иванченко Г.И.

кандидат технических наук Логачев В.Н.

Ведущая организация - Центральный научно-исследовательский

автомобильный и автомоторный институт (НАМИ)

на заседании диссертационного совета К 063.49.05 в Московской государственной академии автомобильного и тракторого машиностроения (МАМИ).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 105023, Москва, Е-23, Б. Семеновская ул., 38 , МАМИ, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАМИ.

Защита состоится ^41 1995г. в_^££«ас.в ауд. \Р-I

Автореферат разослан ' 1995г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

общая характеристика работы Актуальность темы. В настоящее время ничтожно мало разработано и выпускается индивидуальных транспортных средств особо малого класса (ИТС ШК) для лиц с ограниченной возможностью передвижения - инвалидов, людей с ослабленным здоровьем и престарелого возраста. И хотя, имеется ограниченное количество моделей инвалидных колясок (кресел - колясок) в основном с ручным (мускульным) приводом, общее число соответсвует только 2% потребностям мирового спроса, что подчеркивает актуальность и целесообразность создания ИТС ОМК с тяговым электроприводом.

Следует отметить, что разработка кресла-коляски с электроприводом является сложной и наукоемкой проблемой, решение которой должно удовлетворять многим противоречивым требованиям по безопасности, маневренности, управляемости и экологической и энергетической эффективности. Без проведения, комплексных всесторонних исследований и определения на их основе взаимосвязей, процессов и закономерностей с последующей их рационализацией и разработки методологии оптимального проектирования трудно достигнуть ожидаемых результатов в решении этой проблемы.

Поэтому актуальность и необходимость создания ИТС ОЖ с электроприводом и емкостным накопителем энергии акцентируются следующими основным факторами:

- необходимостью социальной и психологической реабилитации лиц с ограниченной возможностью передвижения;

- экономической целесообразностью из-за высокой неудовлетворенности мирового рынка такими транспортными средствами;

- отсутствием фундаментальных исследований, посвященных выбранной теме диссертации;

- наличием новых научных и технологических успехов в области конденсаторостроения и современных достижений в электромашиностроении, в полупроводниковой и микропроцессорной технике.

Цель диссертационной работы. Создание индивидуального транспортного средства особо малого класса для социальной и психологической реабилитации лиц с ограниченной возможностью передвижения путем оснащения его тяговым электроприводом, питаемым от емкостного накопителя энергии, обеспечивающим безопасность, комфортность , маневренность, экологическую и энергетическую эф!ективность Поставленная в работе цель достигается решением следующих задач: 1. Анализа тенденций развития ИТС ОМК и оценки достижимости

требуемых технико-эксплуатационных показателей при современном уровне развития техники;

2. Экспериментальных исследований емкостных накопителей энергии и тяговых аккумуляторных батарей и математического описания их характеристик;

3. Разработки обобщенной математической модели индивидуального транспортного средства с электроприводом, питаемым от аккумуляторных батарей и емкостных накопителей энергии для комплексных исследований ИТС;

4. Проведения комплексных исследований на разработанной математической модели для определения поведения технико - эксплуатационных показателей в различных условиях нагружения и установления основных взаимосвязей, процессов закономерностей в ИТС ОМК;

5. Рационализации выявленной совокупности взаимосвязей, процессов закономерностей и разработки рекомендаций по практическому созданию индивидуального транспортного средства особо малого класса с тяговым электроприводом и емкостным накопителем энергии.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Выявленная взаимосвязь между временами заряда и разряда емкостных накопителей энергии и обоснование возможности питания им тяговых электроприводов, когда время разряда много больше времени зряда.

2. Расчетная схема замещения емкостного накопителя при его работе в тяговом режиме.

3. Обобщенная математическая модель ИТС ОЖ с сортовыми источниками энергии различной физической природы (БИЭРФП).

Д. Аналитическое описание совокупности взаимосвязей к процессов в емкостном накопителе и аккумуляторных батареях различных электрохимических систем.

5. Рационализация установленных взаимосвязей между основными технико-эксплуатационными показателями ИТС (Ж и его параметрами и режимами движения.

6. Сформулированные требования к параметрам емкостных накопителей, используемых на борту кресел-колясок

Методы исследования. Экспериментально-аналитические исследования взаимосвязей, процессов и закономерностей В ИТС ОМК С

БИЭРФП осуществлены с использованием основных положений и методов, известных из теории автомобиля, автомотизированного электропривода и имитационного моделирования.

Выявленные количественные взаимосвязи и закономерности между параметрами и характеристиками как самого ИТС 0МК, так и его подсистем представлены в аналитическом виде, графической интерпретацией и алгоритмами в обобщенной математической модели.

Адекватность обобщенной математической модели ИТС (Ж проверена путем сопоставления расчетных и экспериментально полученных его интегральных характеристик. Результаты и выводы работы теоретически обоснованы и эксприментально подтверждены.

Научная мошша работа состоит в :

1. разработанной обобщенной математической модели ИТС ОМК с тяговым электроприводом постоянного тока, питаемым как от аккумуляторных батарея, так и емкостных накопителей энергии; .

2. повышенной точности результатов математического моделирования ИТС за счет детального математического описания вольт-амперных характеристик энергоустановок в функции степени заряже-нности последних, при' определении текущих значений которой учитывается также и кпд процессов разряда и заряда;

3. исследовании различных емкостных накопителей энергии в режимах разряда и заряда, характерных для ездовых циклов транспортных средств, установлении взаимосвязи между током и напряжением ЕН и выводе аналитического выражения для вольт-амперных характеристик для случая гз« *разр;

4. установлении путем комплексных исследований математической модели основной совокупности взаимосвязей, гпроцессов и закономерностей в ИТС и ее рационализации.

Практическая ценность:

- предложена инженерная методика тягового динамического расчета ИТС и определения' основных параметров его 11 силового электрооборудования;" ' ' ''

- полученные экспериментальным путем данные аккумуляторов позволяют использовать их при поверочных расчетах энергетики ИТС, а аналитические варажения - в математических моделях;

- доказана практическая целесообразность использования емкостных накопителей энергии в качестве автономных энергоустановок для ИТС, используемых'в помещениях;

- разработанная математическая модель и программное обеспе-

чение могут быть использованы для детального исследования энергетических процессов в электромобилях, питаемых как от аккумулятор-1 них батарей, так и емкостных накопителей энергии;

- даны рекомендации по практическому созданию ИТС с электроприводом и емкостным накопителями энергии и рассчитано расширение радиуса действия ИТС при повышении удельных показателей ЕН.

Реализация результатов работы

В процессе работы над диссертацией на кафедре электротехники и компьютеризированных электромеханических систем (ЭКЗМС) Московской Государственной Академии автомобильного и тракторного машиностроения ( МАШ ) при непосредственном участии автора полученные научные результаты, а также разработанные математические и программные средства использованы в практике научно-исследовательских работ в НПО "Автоэлектроника" и НАМИ (г.Москва), а также при создании отечественных опытных образцов индивидуальных транспортных средств особого малого класса на Ставровском заводе ATO (г.Ставрово).

Основные результаты и выводы работы использованы в:

- разработке комбинированных энергетических установок с емкостными накопителями энергии;

- создании отечественных кресел-колясок с электроприводом;

- разработке учебных лабораторных стендов по курсу "автоматизированный электропривод".

Материалы диссертации используются в учебной и научно -исследовательской работе кафедры ЭКЭМС МАМИ. Результаы исследований по теме диссертации подтверждены справками о внедрения.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждены корректным сопоставлением расчетно - теоретических результатов с данными экспериментальных исследований на макете энергетической установки с емкостным накопителем энергии и сравнением имеющихся в литературе материалов по тяговым электроприводам.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладовались автором и обсуждались:

- на республиканской научно-технической конференции, (г. Душанбе, 1991г.)

- на I международной конференции " Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах

и в их роботизированном производстве" (г.Суздаль, 1993г.)

на международном семинаре "Нетрадиционные электромеханические преобразователи" (г.Севастополь, 1993г.)

- на научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в автотракторостроенш" (г.Москва, 1994г.)

Публикащя. Список научных трудов по работе составляет 8 наименований, в таи числе: две научные статьи ; пять тезисов докладов и один научно-технический отчет по НИР.

Структура и общ» диссертации. Результаты изложены на 102 страницах машинописного текста, иллюстрированного 24 таб., 48 рисунками на 46 страницах.

Работа состоит из введения, 4 • глав с выводами по каждой главе, заключения, библиографического списка и приложения.

содержание работы

В первой главе приводятся результаты аналитического обзора современного состояния ИТС 0?Ж. Известно, что длительная мускульная мощность физически здорового человека составляет всего 100 Вт. Следовательно, единственным и идеальным средством транспорта для инвалидов остается кресло-коляска с электроприводом. Однако, создание и производство ИТС ОМК пока еще не носит массового характера, как это наблюдается в автомобилестроении.

При создании такого класса индивидуального транспорта самым важным для нас фактором является то, что разработка ИТС с электроприводом - это сложная и наукоемкая проблема. Ее решение должно удовлетворять многим противоречивым требованиям по безопасности, комфортности, маневренности, управляемости и экологической и энергетической эффективности. Без проведения комплексных всесторонних исследований и определения на их основе неизвестной совокупности взаимосвязей, процессов и закономерностей с последующей их рационализацией и разработки методологии проектирования трудно достигнуть ожидаемых результатов в решении этой проблемы.

Выполненный в работе анализ состояния и тенденций развития МТС с электроприводом позволяет разбить их на три следующих класса:

- кресло-коляска для передвижения внутри помещений (дома, В' больницах, госпиталях, реабилитационных центрах, санаториях и'-т.д.). ИТС такого класса должно иметь прежде всего высокие маневренность, комфортность и безопасность. Скорость движения их составляет 0...бкм/ч и запас хода 1...5 км;

— о —

- индивидуальное транспортное средство для перемещений как внутри помещений, так и на природе (усадьба, зоны отдыха, парки и т.д.).,Такая коляска обладает повышенным диапазоном скоростей 0...6...10 км/ч и запасом хода 5... 15 км;

- ИТС для движения по тротуарам и дорогам. Такое средство должно быть в той или иной мере наделено качествами, присущими электромобилю. Радиус действия ИТС достигает до 40...50 км при скорости 10...20 км/ч.

Тяговые электроприводы этих ИТС включают в себя, как правило, электродвигатели с постоянными магнитами, транзисторные преобразователи и микропроцессорные системы управления. Классификацию компоновоки тяговых систем ИТС, оборудования, и основные схемные решения по кинематике приводов в работе предлагается представить рис 1.

Рис.1. Классификация тяговых систем (ИТС (Ж)

Предложенная классификация обладает достаточной полнотой и позволяет систематизировать как имеющиеся типы тяговых систем, так и определить нишу для вновь разрабатываемых. Кроме того, данная классификация с накопленным к настоящему времени опытом создания индивидуальных транспортных средств особо малого класса позволяет сформулировать основные требования к тяговой системе ИТС ОМК и его электроприводу в частности.

В автономных: транспортных средствах, к которым относятся инвалидные кресла-коляски с электроприводом, аналогично электромобилям, система энергообеспечения включает либо однотипные химические источники тока, либо - два и более видов энергоисточников, так называемые комбинированные энергетические установки (КЭУ).

Наиболее предпочтительным автономным источником энергии для ИТС являются емкостные накопители энергии (ЕН), которые используются для генерации импульсов большой мощности и в системах стар-тертого пуска ДВС. Особо следует отметить, что в первом случае использования ЕН время заряда !;«„ значительно превышает время разряда , то есть 1:,«„»1;м,,, а при стартервом пуске ДВС наблюдается 1;эе11 « гре>.

В случае питания ТЭД от ЕН имеем, существенное увеличение времени их разряда, т.е. ^еи«!:,,«. Этот фактор увеличения времени их разряда приводит к необходимости проведения не только экспериментальных исследований, но и установления неизвестной совокупности взаимсвязей, процессов и закономерностей в емкостных накопителях.

Вторая глава посвящена исследованиям емкостных накопителей работающих в тяговом режиме.

Отсутствие экспериментальных и теоретических исследований ЕН в тяговых режимах восполняется в настоящей работе:

В лаборатории кафедры электротехники и компьютеризированных электромеханических систем ( ЭКЭМС ) МАШ с 1991 года ведутся экспериментальные исследования применительно к тяговым электроприводам отечественных ЕН. К основным параметрам емкостных накопителей энергии для исследуемого случая относятся: - величина емкости- С, Ф ; номинальное напряжение -и,с, , В ; удельная энергия на единицу массы и объема -ес,,Дж/г, ?е„ Дж/см3; внутреннее сопротивление -Нв.е,, Ом; максимальный разрядный ток -1рм£*, А; сопротивление утечки при номинальном напряжении (или зависимость его от напряжения) -йу,с,, Ом; КПД зарядно - разряд-

ного цикла -гкк.о.е.; потери энергии от саморазряда за определенный промежуток времени-д»срЕ. ,Дк.

Для определения соотношений (взаимосвязей) между основными параметрами приводятся экспериментальные данные испытаний следующих EH: - 24ТМ -50 - производства' ВДО "Пульсар", МАЫИ-1 - разработки МАШ, - МИГ-25/30 - производства П10 "Квант".

Испытания емкостных накопителей осуществлялись путем периодического заряда и разряда (цитирования). Заряд накопителя производился постоянным током ( 1,е, = const) от источника тока, а разряд - на постоянную нагрузку (R„=const). Зарядно-разрядные параметры контролировались цифровыми измерительными приборами.

При таком методе испытаний измеряемыми величинами являлись токи и напряжения, а остальные- расчетные.

Проведенные экспериментальные исследования показали предпочтительность EH 24ТЫ-50, результаты которых для него приводены ( на рис.2. - зарядные характеристики, а на рис.3.- разрядные ).

Полученная экспериментальным путем совокупность взаимосвязей между основными параметрами ЕН, соответствующих статическим режимам тяги и торможения ИТС ОМК позволяет предложить его эквивалентную схему и математическую модель.

Исследование автотранспортных средств ( АТС ) должно проводиться с учетом всего многообразия факторов, позволяющих наиболее эффективно использовать электроэнергию бортовых источников энер-ргии различной физической природы (БИЭРЫ1). Это достигается использованием в исследованиях математического моделирования. Поэтому в третьей1 главе подробно рассматривается разработанная "автором обощенная математическая модель (ОММ) ИТС ОМК. Которая включает совокупность подмоделей основных элементов и подмодель нагрузоч-чных режимов . В подмодели нагрузочных режимов по параметрам электромобиля (массе, радиусу ведущих колес, передаточному числу механической трансмиссии и др,) и дорожным условиям проводится тяговый расчет и определяются моменты и частоты вращения тягового

двигателя.

Подмодель тягового электропривода включает набор прикладных программ, описывающих функционирование системы управления и регулирования тягового электродвигателя. Она обеспечивает расчет тока якоря, напряжения на якоре и тока возбуждения электродвигателя, обеспечивающих реализацию тягового момента и частоты вращения,

Рис.2. Графики зависимостей параметров ЕН 24ТМ-50 при зараде постоянным током ( юд )

РрЕН 1РЕН УрЕН ирЕН Вт д кДж В

200

7,5.

160 J 6,0.

|

!£0 4,5.

!

50 j 3,0.

¿0 j 1,5.

I

0 О .

51

4а

за

ю.

25

го

ю

V иоЕН 1

1

1рЕН , !

/

/ РрЕН }

/ N 1

100 200 ЗОО 400 500

Рис.3. Графики зависимостей параметров ЕН 24ТЫ-50 при разряде на постоянную нагрузку ( И, = 3,5 Ом )

о

требуемых для подмодели нагрузочных режимов, а также расчет энер гетических показателей и управляющих воздействий.

Система энергообеспечения в (Ш по желанно может включать ЕН или ТАБ, для которых предложены разработанные математические модели. Выходным параметром является напряжение и«у зависящее от токовой нагрузки и вольт-амперной характеристики источника электропривода. Экспериментальные исследования ЕН позволяют предложить его эквивалентную схему замещения в статическом режиме работы.

В отличив от ТАБ, внутреннее сопротивление ЕН с изменением степени заряженности практически не меняется, поэтому наклон вольт-амперных характеристик остается постоянным (рис.4 ) и его напряжение может быть представлено уравнением

и»у = 0„ = Иео + 1„ г„ (1)

где и„ - напряжение ЕН; ис0-напряжение при отсутствии процессов заряда и разряда накопителя; 1е, - ток; ге„- внутреннее сопротивление.

ЗАРЯД

УЕНОп-1

иЕНОп

1РЕН гЕН

РАЗРЯД

1РЕН ГЕН

13ЕН О 1РЕН

Рис.4. Вольт-амперные характеристики ЕН

Переходный процесс изменения напряжения на ЕН описывается

уравнением (мгновенное значение в 1- момент времени):

Atl Ш . (2)

U„l«(U,yl+ I„1 Ген )( 1-е ТЧ+(и„1 + le« 1 Г, )е Ж,1 Ген,

где и9у1 - напряжение в конце 1-го временного расчетного интервала; Ati =ti-ti-i - длительность интервала; U,„i-i напряжение в начале 1- го интервала; - ток батареи емкостных накопителей средней в 1 -м временном интервале; Ti=C», (R„+R,u), R,u - эквивалентное сопротивление якорной цепи.

Среди химических источников тока наиболее перспективными являются свинцово-кислотные (СКА); никель-железные (НЖА); никель-кадмиевые (НКА) и никель-цинковые (НЦА), для которых предложены уточненные математические модели основных внутренних параметров и внешних характеристик в функции условий и режимов работы.

Часто используется разработчиками разрядная характеристика tp = « , (3)

где Ip и tp- соответственно ток и время разряда ; а и р -постоянные аппроксимации. Учитывая, что емкость Q, отдаваемая ТАБ при разряде постоянным током, пропорциональна времени разряда

Q =1р ■ (4)

она. преобразовывается к виду:

Q = « Ip1-P (5).

или в относительных единицах

4 = У%= <у V1"*- (6)

По экспериментальным данным методом наименьших квадратов получены постоянные аппроксимации для уравнения Пейкерта аккумуляторов ВАРТА ( а =0.987, р =0,421) ХАГЕН ( а=0.1013, р =0.310) и ЭМ-145 ( а=0.984, р =0.132).

В отличие от ЕН внутреннее сопротивление аккумуляторов ,г непрерывно изменяется по мере изменения степени заряженности Сд. Для свинцово-кислотных намазных аккумуляторов взаимосвязь между этими параметрами имеет вид:

0.37Е АС|

ГА = Г, .(1- —п«-) ,0м , (7)

А А|С3=1005£ 1ии

ч.

где где* - суммарное снижение степени заряженности, % ;

ЕДС| = 2АС| + ДСд ,% ; (8)

где лс| - свикеше степени заряженности в % за интервал времени д г при разряде током I , час:

Г- I .лг * 100

АС* = -*- - - , * , (9)

3600 (I /1е)-°'32В с6 СБ - емкость аккумулятора, Ач, при разряде током, -1б ,А, пяти часового разряда, численно равного Се в Ач.

При подзаряде аккумуляторов (в режиме рекуперативного торможения или от емкостного накопителя) увеличение степени заряженности -ДС3,Х, за интервал времени дг:

1д.дг 100-с| п3

АС? =--, - .- Д. (Ю)

3 3600 С 100

где п3 - КЦЦ заряда * 87 %;

С3 - степень заряженности к началу интервала времени % ; С - емкость аккумулятора к началу интервала времени дг,

Ач:

С = С + АС , Ач , (11)

И %

АС = - .—2— , Ач,. (12)

3600 100

где ЛС - приращение " емкости аккумулятора за предшествующий интервал времени дг = А1;

Таким образом определяется текущее значение сопротивления аккумулятора, определяющего наклон линейной части вольт-амперной разрядной или зарядной характеристики.

Ординаты точек пересечения этих характеристик аккумулятора с осью напряжений (для разрядной характеристики - напряжение

начала разряда и , а для зарядной - напряжение начала

заряда и ) определяются для свинцовых аккумуляторов по уравнениям:

И,,* = 1,913 + 16.10-4.С*3 ,В (13)

и

и„А = И,,* + 2е„ = и,РА + 2 х 0,06=ийРА +0,12 ,В, (14) где еп - ЭДС поляризации , для свинцово-кислотных аккумуляторов равная 0,06 В.

Наличие этих величин, зависящих от и внутреннего сопроти-

вления аккумулятора г^, также зависящего от , позволяет найти действительную величину напряжения в любом режиме нагрузки или подзаряда при любой степени заряженности с|.

Таким образе«, представление компонентов энергетической установки уравнениями, описывающими их вольт-амперные характеристики в функции степени заряженности, повышает точность моделирования всех компонентов исследуемого комплекса, поскольку от напряжения на зажимах энергоустановки зависят практически все параметры работы тягового электропривода и скорость транспортного средства.

Как видно из приведенных выше зависимостей, щи определении текущих значений степени заряженности аккумуляторов и зависящих от нее параметров вольт-амперных характеристик учитывались КЦЦ процессов разряда и заряда. Это также повышает точность модели.

В обобщенной математической модели структура общих уравнений движения транспортного средства выражается в однородном координатном базисе, приведенном к валу тягового электродвигателя. Суммарная сила сопротивления движению ИТС ОМК, аналогично теории автомобиля, представляется выражением:

= М + ¥в , (15)

где - суммарная сила сопротивления движению; =Сп»(с

Со8еу + БШеу) - сила сопротивления качению, еу=агс1;$(11о/100) -величина уклона дороги; К1 А1 «2- сила сопротивления воздуха.

Суммарная сила сопротивления движению ИТС преобразуется в момент сопротивления на валу ТЭД следующими формулами взаимосвязей:

Мс = "ЙТ" = (3?у + = М,? + Ш • (16)

где Мс - полный момент сопротивления движению, приведенный к валу

ТЭД; Мф + М»- соответственно моменты от сил сопротивлений движению и воздуха; ш - иРи,п - общее передаточное число трансмиссии.

Скорость движения ИТС, приведенная к валу ТЭД, имеет вид: и а приведенный к валу ТЭД момент инерции запишем по

известной формуле

5пР -б в„ , (17)

ио2

где Зпр - приведенный к валу ТЭД момент инерции, обусловленный полной массой ИТС; 5 - коэффициент учета вращающихся масс. Суммарный, эквивалентный момент инерции на валу тягового

электродвигателя равен

3^ - Злр + 3»« где 3« - момент инерции якоря ТЭД.

Установленная и описанная вше совокупность взаимосвязей, процессов и закономерностей, определяющая движением ИТС ОМК, в ОММ представляется системой дифференциальных уравнений в форме Кош: ■

-Й-- и ;

йи _ 1

"ЯГ - ЗЕ

(11 1

«И;

1 •Ь»

(19)

(М — Мс -Мт) 2

Шбэи -Йэ1 - к.фи - иря];

Ш. - и„ - И. 1вЗ. где ф - угол поворота якоря с начала движения; Ид + Иц + Ибэи - эквивалентное сопротивление цепи якоря; Мт - приведенный к валу ТЭД момент, создаваемый тормозной системой ИТС.

Полная информация о характере протекания электромеханических процессов в тяговой системе ИТС при его движении получается в результате численного интегрирования методом Рунге-Кутта системы дифференциальных уравнений.

В четвертей главе дается объективная оценка применения ЕН в качестве бортовой энергоустановки кресла-коляски, используемой внутри помещений. Зависимости интегральных характеристик определялись численными экспериментами на ОММ ИТС ОМК путем вариации полной массы транспортного средства, его бортовых источников энергии и режимов движения. К основным технико-эксплуатационным показателем аналогично электромобилям, отнесены:

- величина пробега или запас хода ( Ь, км); - время в рейсе (ТР,ч); - удельно-приведенный расход энергии ( ш , т.юР' энергитическая эффективность (п, %)■

Эти четыре интегральных показателя будем считать досточными для сравнительной оценки различных ИТС, используемых внутри помещений.

В результате имитационного моделирования получены зависимости совокупности установленных взаимосвязей ( основных интегральных характеристик ИТС - запаса хода, времени в рейсе, удельно-приведенного расхода энергии и энергетической эффективности) в функции полной массы инвалидной коляски и уклона дороги.

7,1 тр . « Вт?

----и

Т ЕЫ

Рис.5 Зависимости интегральных характеристик. МТС с использованием ТАБ (СКА) типа 2*6СТ-50А

Рис.6 Зависимости интегральных характеристик ИТС с использованием ЕН типа 24ТМ-50

На рис. 5. поведение этих характеристик для коляски с СКА имеет выраженный экспоненциально убывающий вид. Это объясняется более мягкой разрядной характеристикой свинцовых аккумуляторов по сравнению с никель-кадмиевыми, что приводит к уменьшению отдаваемой емкости при росте разрядного тока, вызываемого увеличением полной массы ИТС.

На рис.6, приводится графические зависимости величин запас хода и времени в рейсе от величины удельной энергоемкости ЕН.

Для определения требуемой удельной энергоемкости ЕН исследуемого класса ИТС паралельной оси абсцисс проведем прямую на уровне запаса хода 5 км, что будет соответсвовать удельной энергоемкости 7 Дж/г и времени в рейсе 1ч.

Экспериментальные и теоретические исследования на обобщенной математической модели показали целесообразность использования в качестве энергоисточника ИТС емкостных накопителей энергии, которые обладают по сравнению с аккумуляторами электрохимической системы идеальной экологичностью, повышенной готовностью к работе ( малое время заряда ) и высокой восприимчивостью к повышенной мощности заряда, что обеспечивает утилизацию практически всей кинемической энергии ИТС при рекуперативном торможении.

В приложении приведена программа расчета ИТС ОМК и справка

об использовании результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВбДЫ ПО РАБОТЕ

1. Предложена обобщенная математическая модель ИТС, позволяющая уточнить и углубить результаты теоретических исследований поведения основных технико-эксплуатационных показателей ( запас хода, при движении с постоянными скоростями и различными уклонами дороги и по принятым ездовым циклам, удельно-приведенный расход энергии при изменениях полной массы транспортного средства). Она обеспечивает также проведение детальных исследований тягово-динамических и энергетических характеристик электромобиля.

2. Получена повышенная точность результатов математического моделирования ИТС за счет предложенного математического описания вольт-амперерных характеристик энергоустановок в функции степени заряженное™ последних, а при определении текущих значений этих характеристик учитываются и коэффициенты полезных действий про-ссов разряда и заряда аккумуляторных батарей.

3. Впервые экспериментально исследованы различные емкостные накопители энергии в режиме разряда и заряда, характерного для ездового цикла ИТС ( режим разряда в фазах разгона и движения с установившейся скоростью и режим заряда в фазе торможения). Установлена взаимосвязь между током и напряжением Ей в этих режимах, определены величины внутреннего сопротивления и постоянного времени источников, а также исследованы процессы саморазряда. По экспериментальным данным получены аналитические зависимости для вольт-ампериых характеристик исследованных накопителей.

4. Проведенные исследования на разработанной математической модели позволили оценить энергозатраты ИТС в различных условиях нагрукения и установить основную совокупность взаимосвязей и закономерностей протекания энергетических процессов.

5. Социальная реабилитация лиц с ограниченной возможностью передвижения предполагает всемерное совершенствование им предназначенных индивидуальных транспортных средств, обладающих повышенными качествами (свойствами) такими, как: высокой маневренностью (особенно при перемещениях внутри помещений), требуемой комфортностью при использовании как в качестве кресла, так и в качестве управляемой автоматизированной коляски, повышенной электрической и транспортной безопасностью.

6. Установлено, что современный уровень развития техники позволяет обеспечить требуемые технико-эксплуатационные показатели ИТС, как-то: величину пробега до 50 км при одном цикле заряд-разряд ТАБ, максимальную скорость движения 15 км/час, преодоление уклона до 10°, плавность, комфортность и маневренность достигается режимом импульсного регулирования угловой скорости и момента ТЭД.

7. Экспериментальными исследованиями СКА установлены реальные разрядные и вольт-амперные характеристики аккумуляторов, используемых в ИТС. Выведены математические описания этих характеристик, которые дают удовлетворительную сходимость с экспериментом (в пределах 5-8Ж) и согласуются с результатами других авторов. *

8. Результатами теоретических исследований в работе показано, что современные СКА обеспечивают требуемые ИТС технико-эксплуатационные показатели (пробег,ума><с, преодолеваемый уклон и.т.д). Однако они обладают рядом существенных недостатков: сложность в техническом обслуживании; экологическое несовершенство-

наличие агрессивных реагентов (кислота, щелочь), газовыделешн при интенсивных процессах заряда-разряда; высокая длительност] заряда.

9. Экспериментальные и теоретические исследования показал! целесообразность использования в качестве энергоисточника ИТ» емкостных накопителей энергии, которые обладают по сравнению с К идеальной экологичностыо, повышенной готовностью к работе (мало время заряда) и высокой восприимчивостью к повышенной мощносг заряда, что обеспечивает утилизацию практически всей кинетическо энергии ИТС при рекуперативном торможении.

10. Комплексные исследования, экспериментальные, теоретичес кие и методами математического моделирования, показали целесо образность применения современных типов Ей для передвижения ИТ

внутри помещений, а также разработаны рекомендации по расширени радиуса действия ИТС при ожидаемом повышении удельных показателе Ей.

11. Разработаны рекомендации по практическому созданию инда видуальных транспортных средств с электроприводом и емкостнь накопителем энергии на основе проведенных исследований, которь были использованы при создании отечественная опытных образце ИТС СШ такого класса на заводе автотранспортного оборудс вания (г.Ставрово), НПО Автоэлектроники и НАМИ. Отделы«

результаты работы по снижению расходов энергии внедрены

электромобили ВАЗ с аккумуляторными энергоустановками.

12. Одним из путей дальнейшего совершенствован разработанных в работе принципов является использование в систе! энергообеспечения индивидуального транспортного средст: -комбинированной энергоустановки в составе аккумуляторной батар и емкостного накопителя, которая обеспечит универсальное

• ИТС ОМК за счет увеличения величины пробега, а в • качест тягового электропривода-асинхронный мотор-колесный (АМК Естественно, усложнение объекта потребует модернизировать данн методологию проектирования ИТС и внедрить микропроцессор« систему управления.

Основные положения диссертации опубликованы в следуюи научных трудах:-

1. Аль-масуд Тауфик., Шамсиев М.В. О возможности использое

ния конденсаторных батарей в электрокарах //Тез.докл.научно-технической конференции по электромеханике.-Душанбе, 1991г.-с.45 2. Аль-масуд Тауфпс. Использование емкостных накопителей энергии для внутрицехового транспорта // Электомеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в их работизированном производстве. Тез. докл. международного научно-технического семинара. -М., 1993.-с.63-64.

3. Аль-масуд Тауфпс., Красильников В.Е., Прохоров В.А., Куранов В.Д. Электропривод малого транспортного средства с емкостным накопителем энергии// Электомеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в их роботизированном производстве. -Труды.МАМИ, 1993.-с.68-73.

4. Аль-масуд Тауфик, Прохоров В.А.Электропривод транспортного средства для людей с ослабленным здоровьем// Нетрадиционные электромеханические преобразователи энергии/. Тез. докл. международного научно-технического семинара. Севастополь., 1993.

5. Аль-масуд Тауфик, Гурьянов Д.И., Дижур М.М., Прохоров В.А., Паршков Ю.В. Экспериментальные исследования бортовых источников энергии различной физической природы// Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и ■ в их роботизированном производстве. -Труды. МАМИ, 1994. -с. 56-62.

6. Аль-масуд Тауфик., Прохоров В.А., Петленко А.Б., Гурьянов Д.И. Электропривод индивидуального транспортного средства особо малого класса//Научно-технический прогресс в автомобилестроении. Тез. докл. научно-технической конференции. -М., 1994.-с.46.

7. Аль-масуд Тауфик., Макаров А.К., Воротников В.П., Балашов A.A. Современные системы импульсного регулирования движения автомобиля//Научно-технический прогресс в автомобилестроении. Тез. Докл. Научно-технической конференции. -М., 1994.с.43.

8. Исследование тяговых систем автотранспортных средств (АТС) с бортовыми источниками знергии различной физической природы. Отчет о НИР / Б.И.Петленко, М.С.Листвинский, А.П. Фомин, Гурьянов Д.И., Аль-масуд Тауфик и др// МАМИ. -М., 1993.N -Г.р.14900.

Аль-масуд Тауфик

"Индивидуал>ное транспортное средство с электроприводом и емкостшм накопителем энергии"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать Заказ N

Тираж 100. Формат 30x42/4. Бумага типографская. Бесплатно.

Ротапринт МАШ. Москва, Б.Семеновская, 38.