автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование и выбор параметров комбинированной энергосистемы электромобиля

Введение.

Глава 1. Обзор работ по созданию электромобилей.

1.1. Состояние и перспективы производства автомобилей.

1.2. Основные направления работ по созданию электромобилей.

1.3. Основные тенденции по созданию комбинированных энергоустановок.

1.3.1. Параллельная структура.

1.3.2. Последовательная структура.

1.3.3. Смешанная структура.

1.4. Требования к бортовым источникам энергии.

1.5. Электромобили с топливными элементами.

Выводы к первой главе.

Постановка задачи исследований.

Глава 2. Математическая модель электромобиля.

2.1. Состав объекта.

2.2. Математическая модель движения электромобиля.

2.2.1. Разгон при постоянном потоке.

2.2.2. Разгон при постоянном напряжении на якоре электродвигателя.

2.2.3. Равномерное движение.

2.2.4. Выбег

2.2.5. Торможение.

2.4. Особенности моделирования движения электромобиля с комбинированной энергоустановкой.

Выводы ко второй главе.

Глава 3. Исследование параметров электромобиля и комбинированной установки.

3.1. Выбор параметров аккумуляторной батареи для электромобиля.

3.2. Выбор параметров аккумуляторной батареи и генератора для электромобиля с комбинированной энергоустановкой.

3.2.1. «Отрицательный» баланс энергии.

3.2.2. «Нулевой» баланс энергии.

Выводы к третьей главе.

Глава 4. Построение имитационной модели движения электромобиля в городе.

4.1. Анализ режимов движения электромобилей.

4.2. Построение имитационной модели.

Выводы к четвертой главе.

Глава 5. Оптимизация параметров электромобиля в условиях имитационного движения.

5.1. Выбор параметра оптимизации.

5.2. Оптимизация параметров комбинированной энергоустановки.

Выводы к пятой главе.

Глава 6. Расчет выбросов вредных веществ.

Выводы к пятой главе.

Глава 7. Расчет экономической эффективности при эксплуатации электромобиля.

7.1.Структура годовых затрат.

7.1.1. Годовой ущерб от выбросов вредных веществ

7.1.2. Расчет годовых затрат на топливо.

7.1.3. Расчет годовых затрат на электроэнергию.

7.1.4. Расчет годовых затрат на техническое обслуживание.

7.1.5. Расчет затрат на амортизацию.

7.2. Сравнительный анализ применения тяговых аккумуляторных батарей на электромобиле.

7.3. Сравнительный анализ применения тяговых аккумуляторных батарей в составе комбинированных энергоустановок с «отрицательным» балансом энергии.

7.4. Сравнительный анализ источников энергии для комбинированных энергоустановок с нулевым» балансом энергии.

Выводы к седьмой главе.

Основным источником загрязнения воздуха крупных городов сегодня является автомобильный транспорт. В связи с этим перед автопроизводителями стоит проблема создания экологически чистого транспортного средства, которое в будущем смогло бы заменить автомобиль (А). Среди разработок в этом направлении наибольшее распространение получили электромобили (ЭМ), источником энергии которых, являются тяговые аккумуляторные батареи (АБ). Однако из за отсутствия на сегодняшний день АБ с приемлемыми удельными характеристиками ЭМ составить конкуренцию традиционным А пока не могут. Вариантом переходного периода от А к ЭМ может являться так называемый гибридный ЭМ с комбинированной энергоустановкой (КЭУ). Большое распространение получили КЭУ с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), который механически соединен с генератором (Г). Совместная работа АБ и системы ДВС-Г позволяет ЭМ с КЭУ с одной стороны значительно повысить пробег по сравнению с ЭМ, а с другой стороны снизить расход топлива и выброс вредных веществ по сравнению с А.

Наиболее целесообразна эксплуатация ЭМ с КЭУ в городе. Это связано с тем, что городской цикл движения состоит из часто повторяющихся разгона, равномерного движения, торможения и остановки транспортного средства. Причем все перечисленные режимы кратковременны. Задача ДВС-Г состоит в том, чтобы в течении времени остановки или выбега вернуть АБ часть энергии затраченной ею при разгоне и равномерном движении.

В диссертационной работе предложена методика определения параметров КЭУ на примере ЭМ конвертированного из А «ГАЗель». На основании исследований, проведенных по предложенной методике определены значения мощности ДВС-Г и энергии АБ для КЭУ. Проанализированы существующие типы тяговых и так называемых импульсных АБ, работающих в буферном режиме и емкостных накопителей энергии (НЭ).

1 ОБЗОР РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ.

Выводы к седьмой главе.

1. Проведена экономическая оценка энергетических систем ЭМ учитывающий стоимость используемых АБ и их удельные энергоемкости. Установлена зависимость, позволяющая определять дневной пробег ЭМ при условии минимизации удельных затрат, для известных параметров АБ, транспортного средства и режима движения.

2. Рассмотрены примеры расчета удельных затрат на эксплуатацию ЭМ и ЭМ с КЭУ для 5 типов тяговых АБ и 3 типов АУ для КЭУ работающей с «нулевым» балансом энергии, в том числе 2 типов импульсных АБ и 1 типа емкостного НЭ.

3. Установлено, что при пробегах менее 80 км для ЭМ экономически целесообразно использовать РЬ АБ, при пробегах более 80 км NiCd АБ. Приведенные рекомендации могут быть использованы при проектировании ЭМ на базе А «ГАЗель» при эксплуатации последнего в городском движении с удельным расходом энергии 260 Вт.ч/км.

4. Для ЭМ с КЭУ работающей в режиме «нулевого» баланса энергии целесообразно использовать РЬ АБ фирмы «Optima».

5. Рекомендованы определенные соотношения между мощностью и удельной энергией аккумуляторной батареи для «нулевого» баланса энергии. В частности для рассматриваемого ЭМ это соотношение составило 19.6.

6. Рассчитаны стоимости АБ и топлива, при которых эксплуатация ЭМ станет экономически целесообразна.

Заключение.

На основании теоретических исследований и проведенных расчетов, выполненных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты и рекомендации:

1. Предложен системный подход и методика проектирования энергетической системы ЭМ и ЭМ с КЭУ. Этапы методики содержат:

1.1. Определение транспортной задачи проектируемого ЭМ, в т. ч:

- района эксплуатации ЭМ (движение в центре города, обслуживание зон отдыха и т. д.)

- времени эксплуатации (часы пик, ночная развозка грузов и т. д.)

- дневных пробегов и объема грузоперевозок

- коэффициента использования грузоподъемности ЭМ.

1.2. Сбор и обработка статистических данных о профиле дороги и режимах движения (ускорение, продолжительность разгона, скорость движения, продолжительность безостановочного движения, время стоянки).

1.3. Выбор параметров ЭМ (грузоподъемность, число посадочных мест для ЭМ на базе микроавтобуса и др.).

1.4. Разработка математической модели ЭМ и моделирование его движения в условном цикле. Выбор параметров условного цикла движения должен основываться на анализе информации о режимах реального движения. При моделировании движения ЭМ в условном цикле оцениваются предварительные значения мощности ЭД и ДВС-Г, энергии АУ, расходы энергии и определяются энергетические и конструктивные параметры ЭМ («чистый» ЭМ, последовательная, параллельная структура КЭУ).

1.5. Разработка имитационной модели движения ЭМ с выбранными параметрами в реальных графиках городского движения.

1.6. Выбор критерия оптимизации и расчет параметров энергоустановки в имитационном движении ЭМ.

1.7. Определение экологических, экономических и топливных показателей ЭМ.

2. Имитационная модель движения ЭМ в городе позволила определить оптимальные сочетания массы АБ и мощности ДВС-Г для заданных пробегов, транспортной работы и расхода топлива. С помощью методики определены параметры энергоустановки ЭМ на базе А «ГАЗель» для работы этого ЭМ в г Москве. Мощность ДВС-Г составила 6.64 кВт, энергия АУ 7.35 МДж. В расчетах использовались данные по эксплуатации электромобилей на 34 автокомбинате г. Москвы.

3. Предложен критерий оптимизации энергосистемы ЭМ с КЭУ основанный на минимизации массы АУ и мощности ДВС-Г. Критерий определяет не более 4-5 остановок ДВС на 100 км пробега из-за превышения предельно допустимого заряда АУ.

4. На основании анализа существующих типов АБ и НЭ выбрана АБ с характеристиками импульсных РЬ АБ фирмы «Optima» (США) массой 80 кг, емкостью 17 А.ч и напряжением 120 В.

5. ЭМ с КЭУ «ГАЗель» с оптимизированными параметрами энергоустановки, обеспечивает снижение расхода топлива в сравнении с А «ГАЗель» до 28% (в зависимости от режимов движения), снижение выбросов СО в 7.6 раз по отношению к нормативным требованиям и соответствие выбросов CH+NOx нормативным требованиям.

6. Предложенная методика является универсальной и может быть использована при проектировании ЭМ с КЭУ других типов.

1. Богачев Ю.П., Изосимов Д.В. Электропривод нетрадиционных транспортных средств. Приводная техника №2, 1998 г.

2. Новый взгляд на токсичность автомобильных двигателей в условиях городского движения // Грузовик 2000. №5 с 8 - 12

3. Van Miero. "Multiple Purpose Simulation Programme for Electric and Hybrid Vehicles: Simulation vs. Experimental Results"//EVS 13, Osaka, Japan, 1996.

4. Richard Sadler. "Autorickshaws The EV Alternative" // EVS 16, Pekin, China, 1999.

5. Проблемы и методы обеспечения экологической безопасности автотранспортного комплекса Московского региона. Москва, 1998 г.

6. Шугуров С. Ю. Электромобиль и комбинированной энергоустановкой и накопителями энергии. Дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук М.: МАДИ, 1999. - 205с.

7. Elektromobil Entwicklung // KFT (1985) №8. с 242.

8. Strom aus der Steckdose // KFZ Betr. (1997) №7. С 32-34.

9. F. Dufourd, С.А."Электрический автобус в Париже". // EVS 16, Pekin, China, 1999.

10. Karner D.В "Эксплуатация электрических автобусов при использовании режима быстрой подзарядки" // EVS 15, Bruxelles, Belgium, 1998.

11. APT А. "Отчеты по транспортным средствам за 1997 год" // EVS 15, Orlando, USA, 1997

12. Griffith Р. "Отчет об использования аккумуляторных электрических транспортных средств в транспортном округе Санта Барбары." // EVS 15, Orlando, USA, 1997.

13. Floyd G.L. "Подготовка электрических автобусов к эксплуатации" // EVS 15, Orlando,1. USA, 1997.17. "Der Audi duo das erste serienmassige Hubridfahrzeug" // ATZ 99 (1997) №6 c316 - 320.

14. Antony P. "Последовательный гибрид Мерседес-Бенц Си-класса". // EVS 15, Orlando, USA, 1997.19. "И вновь гибридный привод" // Авто (1994) №6. с8-9.

15. Morrow H. "NiCd the cost effective choice"// Electric&Hybrig Vehicle Technology. 1996.

16. Тяговые батареи для электромобилей // Авто 1994. - №6. - с 7-9.

17. Комбинированные бортовые электромобильные энергоустановки на базе электрохимических генераторов и супер конденсаторов // Приводная техника 1998. №7. -с 23 - 29.

18. Бурке А. Ф. "Устройство подачи импульсной мощности для гибридных автомобилей :

19. Ультраконденсаторы и импульсные батареи" // Материалы конференции по экологическичистому автотранспорту и альтернативным видам топлива 15-17 июня 1998 г.

20. Электрохимические конденсаторы компании «ЭСМА». Московская обл., г.Троицк, ЗАО «ЭСМА», 1998 г

21. Эйдинов А.А., Дижур М.М. Расчетные исследования возможностей тяговых источников тока для электромобилей // тр. НАМИ, 1996

22. Электромобили с энергоустановками на основе электрохимического генератора. А. А. Эйдинов., Козловский А.Б., М. М. Дижур и др. // Автомобильная промышленность 1996 №5.

23. Изосимов Д.Б., Кулаков Е.Б., Литвиненко С.В , Сагаловский В.И., Эйдинов А.А. Пути создания электромобилей. Москва, 1997 г.

24. Автомобильный справочник -М.: НИИАТ.

25. Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств. М.: Машиностроение, 1989. 237с.

26. Свириденко П. А. Шмелев А.Н. Основы автоматизированного электропривода. -М.: «Высшая школа», 1970. 392с.

27. Петленко Б.И. Богданов К.Л. Отчет о научно исследовательской работе. Исследование системы тягового привода электромобилей с комбинированной энергоустановкой. -М.: МАДИ, 1986. 310с

28. Жабин В Н. Назаров Н.И. Методические указания к лабораторным работам по теории автотракторных двигателей.-М: МАДИ, 1991. 111с.

29. Итоги науки и техники. Автомобильный транспорт. Том 19. -М. ВИНИТИ. 1996. 335 с.

30. Методика испытаний электромобилей SAE Ja. SAE Preprintsa №J 227а

31. Сурин Е. И, Мидлер А. С. Некоторые вопросы выбора основных параметровэлектромобиля при проектировании // Сборник научных трудов М.: МАДИ, 1986. -127с.

32. Электромобили состояние и перспективы //Машиностроитель 2000. №10. - с7 - 10.

33. Электромобиль настоящее и будущее // Грузовик 2000 №4. - с19 - 20.

34. Комбинированные энергетические системы электромобилей: выбор параметров// Грузовик2000 №5 -с13 15.

35. Венцель Е.С. Теория вероятностей. -М.: «Высшая школа», 1998. 572с.

36. Павловский 3. Введение в математическую статистику. -М.: «Статистика», 1967 283 с.

37. А. И. Рябчинский, Ю. В. Трофименко, С. В. Шелмаков. Экологическая безопасность автомобиля -М., МАДИ, 2000. 93с.