автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Исследование процесса рекуперативного торможения гибридных тягово-транспортных средств

^Лаправах рукописи

Фетисов Александр Васильевич

Исследование процесса рекуперативного торможения гибридных тягово-транспортных средств

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания

в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 МАЙ 2011

МОСКВА 2011

4847420

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина».

Научный руководитель:

член-корреспондент РАСХН, доктор технических наук, профессор Дидманидзе Отари Назирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ильюхин Михаил Степанович

кандидат технических наук Шевцов Алексей Васильевич

Ведущая организация:

ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К. А. Тимирязева»

Защита диссертации состоится «30» мая 2011 г. в 13 ч. на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 при ФГОУ ВПО МГАУ по адресу: 127550, Москва, ул. Лиственничная аллея, корп. 3, д. 16а, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО МГАУ.

Автореферат разослан «29» апреля 2011 г. и размещен на сайте ФГОУ ВПО МГАУ www.msau.ru «29» апреля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Анализ разработанных математических моделей тягово-транспортных средств (TTC) с комбинированными энергоустановками (КЭУ) показывает, что в настоящее время отсутствует гибкая модель, позволяющая исследовать различные структурные варианты тягово-транспортных средств с комбинированными энергоустановками, режимы работы основных элементов, рационализировать графики движения, а также учитывать влияние переменных возмущающих воздействий на общую (универсальную) эффективность тягово-транспортных средств с КЭУ.

В настоящей работе сделана попытка восполнить вышеотмеченные пробелы в исследовании тягово-транспортных средств, что и предопределило ее цель и решаемые задачи.

Цель работы - исследование процесса рекуперативного торможения гибридных тягово-транспортных средств.

Объекты исследования: система тягового электропривода тягово-транспортных средств с комбинированными энергоустановками, тяговая аккумуляторная батарея (ТАБ), двигатель внутреннего сгорания (ДВС), система управления.

Методы исследования: методы теории автоматического управления, математической статистики, моделирования. Основные теоретические результаты сопоставлялись с данными экспериментальных исследований на реальном тягово-транспортном средстве с комбинированными энергоустановками и лабораторном стенде.

Научная новизна. Организация процесса эффективного перераспределения кинетической энергии тягово-транспортного средства с комбинированной энергоустановкой с учетом избытка мощности двигателя внутреннего сгорания.

Практическая полезность. По результатам теоретических исследований создана методика комплексной оценки эффективности комбинированной энергетической установки.

Полученные результаты позволяют установить степень использования комбинированной энергоустановки и обосновать выбор мощности и энергоемкости элементов тягового электропривода с комбинированной энергоустановкой, а также правильно выбрать параметры тягового привода при проектировании электромобиля с комбинированной энергоустановкой.

Реализован макетный образец системы тягового электропривода.

Реализация результатов работы. Предложенные автором алгоритмы управления используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина» и приняты к реализации в МНПО «ЭКОНД». Конкретные положения диссертационной работы нашли применение в опытно-конструкторских разработках.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на

Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в сельском хозяйстве» (ФГОУ ВПО МГАУ, 20-22 ноября 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Научные проблемы развития автомобильного транспорта» (ФГОУ ВПО МГАУ, 2-4 апреля 2008 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития агропромышленного комплекса России» (ФГОУ ВПО МГАУ, 20—22 ноября 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в образовании и науке» (ФГОУ ВПО МГАУ, 29-30 января 2009 г.), а также на заседаниях кафедры «Автомобильный транспорт» в 2008-2011 годах.

Публикации. Результаты исследования опубликованы в трех научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы, изложена на 105 страницах машинописного текста, включая 35 рисунков, 13 таблиц и библиографический список из 115 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена актуальность темы, излагаются положения, выносимые на защиту.

В главе I «Состояние вопроса, цель и задачи исследования» проведен анализ литературных источников и сделан вывод о том, что многообразие эксплуатационных показателей, характеризующих эффективность использования тягово-транспортных средств с комбинированными энергоустановками, требует обоснованного выбора критериев их оценки при моделировании.

В настоящее время недостаточно полно проработаны вопросы исследования топливной экономичности и токсичности тягово-транспортных средств с комбинированными энергоустановками. Поэтому при моделировании тягово-транспортного средства с комбинированными энергоустановками целесообразно уделить им особое внимание.

Анализ разработанных математических моделей тягово-транспортных средств показывает, что в настоящее время отсутствует гибкая модель, позволяющая исследовать различные структурные варианты тягово-транспортных средств с комбинированными энергоустановками, режимы работы основных элементов, рационализировать графики движения, а также учитывать влияние переменных возмущающих воздействий на общую (универсальную) эффективность тягово-транспортных средств с комбинированными энергоустановками.

На основе анализа сформулированы задачи исследования:

1. Разработать обобщенную математическую модель тягово-транспортного средства с комбинированной энергоустановкой,

позволяющую синтезировать различные структурные варианты, исследовать режимы работы основных элементов и варьировать режимами движения в пределах испытательного цикла.

2. Провести исследования влияния новых элементов системы электропривода на эффективность тягово-транспортного средства с комбинированной энергоустановкой.

3. Разработать методику комплексной оценки эффективности вариантов тягово-транспортного средства с комбинированной энергоустановкой при проектировании.

4. Исследовать возможность и целесообразность использования суперконденсаторов в системе электропривода тягово-транспортного •средства с комбинированной энергоустановкой.

5. Провести технико-экономическую оценку по обобщенному критерию эффективности различных типов накопителецтягово-транспортного средства с комбинированной энергоустановкой, режимов работы и организации нагрузочных режимов.

Глава 2 «Математическое моделирование системы комбинированного привода тягово-транспортного средства»

Пробег Ь «чистого» электромобиля (ЭМ) с аккумуляторной батареей (АБ) может быть представлен следующим выражением:

£=—, (1) О"

где т - масса аккумуляторной батареи, кг; к - удельная энергоемкость аккумуляторной батареи, Вт-ч/кг; о - удельный расход энергии на передвижение тягово-транспортного средства, Вгч/км.

В предельном случае, когда грузоподъемность тягово-транспортного средства полностью используется для установки на нем аккумуляторной батареи, пробег равен

¿ = (2) а

где <3 - грузоподъемность тягово-транспортного средства (или конвертируемого автомобиля), кг.

Пробег, определенный по формуле (2), является предельным и для тягово-транспортного средства с комбинированной энергоустановкой с точки зрения рационального расхода топлива при использовании в качестве генерирующей установки системы «генератор-двигатель внутреннего сгорания». По формуле (2) предельные значения пробегов для тягово-транспортных средств (в том числе с комбинированными энергоустановками) в режиме движения БАБУ 227С и с различными удельными характеристиками аккумуляторных батарей составят: к, Вт-ч/кг 10 20 30 40 50 60 70 £,км 37,5 75 112,5 150 187,5 225 262,5

Для обеспечения приемлемых для потребителя пробегов и полезной грузоподъемности уравнение (1) следует представить в следующем виде:

I - щк + А

(3)

т. е. энергия части аккумуляторной батареи заменена выработкой энергии е на борту, причем

е = (т- ю,) к, (4)

где гп\ - масса топлива для тягово-транспортного средства с комбинированной энергоустановкой.

Выражение (4) может быть преобразовано и представлено в следующем виде:

е~кв{ I - от,/С7), (5)

а графически изображено линией 1 на рис. 1.

Энергий генератора, Вт ч

Масса ЛБ т, кг

-в- I (т=ед -а- 2 (т=2С/3) -А- 3 (т=С/2) -и- 4 (тС/З)---5 (Ь=80км)

Рис. 1. Зависимость энергии генератора от массы аккумуляторной батареи

Необходимую энергию для транспортной работы можно определить по следующей формуле:

А=Ь(О-т0шшА = {т'к + е)(О-т>\ (б).

<Т

Максимальное значение транспортной работы:

е = Ю( 1-2^). (7)

оНа рис. 1 эта зависимость представлена прямой 3. Исследование уравнения (6) показало, что существует такое сочетание массы аккумуляторной батареи ш и электроэнергии е, выработанной на борту, при котором интенсивность увеличения пробега и уменьшение транспортной работы равны.

Это условие можно записать следующим образом:

20 2е 3 т.. т =---или е = кй( 1--'-).

3 3 к 20

Этому уравнению соответствует линия 2 на рис. 1. Представляет интерес исследование соотношения, которое отображает линия 4 на рис. 1:

о

(9)

120

Пробег, км

1 (т=С) ■ 4 (т=С/3)

Масса АБ т, кг -в-2 (т=2С/3) ---5(Ь=80км)

-А- 3 (т=0/2) --6 (пробег "чистого" ЭМ)

Рис. 2. Пробеги тягово-транспортного средства с комбинированной энергоустановкой в зависимости от массы аккумуляторной батареи и уровня регенерируемой энергии

12

Удельный расход топлива, л/100т км

I-

> ""Л В >- ) ) й- р )

о о о о

ОО О —'

Масса АБ т, кг

1 (т=С)-в- 2 (т=20Ву-&- 3 (тЮ/2) -к- 4 (ш=С/3)----5 (Ь=80км)

Рис. 3. Зависимость удельного расхода топлива от массы аккумуляторной батареи

Расход топлива, л/100км

-в- 1 (ш=0)-2 (т=20/3)-А- 3 (т=0/2) -*- 4 (т=С/3)'------5 (Ь=80км)

Рис. 4. Зависимость расхода топлива от массы аккумуляторной батареи

Реализация этого условия позволяет получить такие же результаты для тягово-транспортного средства с комбинированной энергоустановкой, как и для «чистого» тягово-транспортного средства с аккумуляторной батареей в 3 раза большей массы (точки А и В на рис. 5). Применение условий, представленных в выражениях (1)...(9), дает возможность определить пробег, транспортную работу, удельный расход энергии и топлива на пробег, а также другие важные параметры тягово-транспортного средства с комбинированной энергоустановкой.

Удельный расход энергии при движении по циклу 8АБ1227С (2 остановки на 1 км, максимальная скорость движения - 50 км/ч) принят в расчетах на уровне 114 Втч/т км (400 Вгч/км) для указанного тягово-транспортного средства. Расчеты проводились для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи с удельной энергией 30 Вт ч/кг. Если принять удельный расход топлива бензинового двигателя внутреннего сгорания в режиме постоянной мощности 0,255 кг/кВт'ч, то по рис. 3 и 4 можно определить расход топлива для различных вариантов тягово-транспортного средства с комбинированной энергоустановкой.

&

© 5? о о о

2 о о о

п п 'Т

■ 1(т=0) ■4(ш=0/3)

о о о о о о ооооооооооо о о о о о о — сч т -«г

Масса АБ, кг

-е- 2 (т=20/3) -А- 3 (тК}/2)

----5(Ь=80км)--

Рис. 5. Транспортная работа тягово-транспортного средства с комбинированной энергоустановкой для четырех вариантов массы аккумуляторной батареи

Приведем пример использования соотношений, указанных в таблице. На рис. 1 выделены на оси абсцисс значения массы аккумуляторной батареи: 500, 750,1000 и 1500 кг, которые обеспечивают пробеги 37,5; 56,5; 75 и 112,5 км (рис, 2) в варианте «чистого» электромобиля.

Пробег 80 км в приведенном примере может быть реализован четырьмя вариантами:

т = 200 кг и еТ = 26000 Вгч; т = 400 кг и ег = 20000 Вгч; т = 840 кг и ех = 6800 Вгч; т = 1070 кг и ег = 0 Вт-ч.

Этим соотношениям соответствуют линии 5 на рис. 1 и 2, которые дают возможность оценить все варианты создания комбинированной энергоустановки с различными комбинациями массы аккумуляторной батареи и энергии генератора. Эту линию можно назвать линией пробега 80 км. Линия 6 на рис. 2 является линией пробега «чистого» электромобиля. Расход топлива можно определить следующим образом: 26 кВт ч х 0,255 кг/кВгч = 6,63 кг или 9,5 л; 20 кВт-ч х 0,255 кг/кВгч = 5,1 кг или 7,3 л; 6,8 кВт'ч х 0,255 кг/кВт ч = 1,73 кг или 2,5 л.

Это соответствует расходу 11,9; 9,1; 3,1 л/100 км. Транспортная работа для пробега 80 км и рассматриваемых вариантов составит 104; 88; 52 и 35 ткм при грузоподъемности тягово-транспортного средства 1300; 1100; 660 и 430 кг.

Таким образом, увеличение грузоподъемности и транспортной работы (при постоянном пробеге) влечет за собой увеличение расхода топлива.

Энергетический баланс системы тягового электропривода тягово-транспортного средства для каждого текущего момента цикла выражается уравнением мощности на ведущем колесе:

Мс(0 = ЛГдвсОЛмвх + ЛГдвС) Лаб-к, а для аккумуляторной батареи работа, производимая АБ (затраченная ею) во время цикла, определяется суммарными энергетическими потерями в ней в процессе ее разряда-заряда. Рассчитывается и строится зависимость величины требуемой мощности для каждого участка движения тягово-транспортного средства по циклу: на ведущих колесах Л'к(0> приведенной к двигателю внутреннего сгорания с учетом кпд трансмиссии Л'дас(0- Затем из зависимости требуемой величины мощности N определяется ее среднее значение (т. е. постоянная составляющая), являющееся необходимой минимальной величиной требуемой мощности двигателя внутреннего сгорания.

Рис. 6. Временные зависимости мощности и работы сил сопротивления тягово-транспортного средства с комбинированной энергоустановкой

Мощность сопротивления движению тягово-транспортных средств на ведущих колесах:

где N¡(0 - мощность, требуемая для преодоления силы сопротивления качению, Вт; #в(0 ~~ мощность, требуемая для преодоления силы воздушного сопротивления, Вт; - мощность, требуемая для преодоления силы

инерции при разгоне тягово-транспортного средства, Вт.

Зависимость величины мощности сопротивления качению тягово-транспортного средства (рис. 6):

где = Л/ах9,81, Н,

Ч. 20000/

Зависимость величины работы силы сопротивления качению тягово-транспортного средства от времени движения (рис. 6):

I

А,(1) = \ N,(1)41,Дж-,

0

= = Дж (1...19 с);

о 1

39+53с

4г„(*)= /л^Л.Дж-от силы инерции (39...53 с).

39с

Мощность на колесах тягово-транспортного средства, требуемая для преодоления силы воздушного сопротивления его движению:

где Св - коэффициент обтекаемости АТС, Нх2/м4 (для ГАЗели Св = 0,5); F -лобовая площадь АТС, м2 (НхВ = 0,9), (для ГАЗели Г = 3,23 м2); рв -плотность воздушной среды, г/м3 (рв = 1,24 г/м3), V* - скорость АТС, м/с.

На рис. 7 представлены просуммированная (от воздействия трех факторов сопротивления движению) зависимость требуемой мощности на колесах от времени движения на всем перегоне МК(г) и преобразованная из нее зависимость N^(1).

Тяговая и динамическая характеристики тягово-транспортного средства с комбинированными энергоустановками при движении на участке разгона по циклу НАМИ-2 постоянны. Для тягово-транспортного средства с комбинированными энергоустановками:

у,0) 13,9(м/с)

Д (П = / + а — »0,017 + 0,731— » 0,1.

Я 9,81

и

Рис. 7. Зависимость мощностей двигателя внутреннего сгорания, аккумуляторной батареи и на ведущих колесах тягово-транспортного средства с комбинированной энергоустановкой от времени по циклу НАМИ-2

Для тягового привода эти характеристики ограничиваются максимально допустимой мощностью тягового электродвигателя. Для расчета энергетических характеристик комбинированной энергоустановки определим суммарную по всем участкам цикла величину энергии от ДВС, требуемую для реализации движения тягово-транспортного средства по циклу НАМИ-2:

ЛдпСц = Лдвс 1 + -4ДВС2 + ДцвСЗ + -^ДВС4'

19с 11с .

—л.

8с 8с ^мга

Л — 4 -4- Л

ЛДВСЗ ДВСЗ(двнж) ДВСЗ(мр)»

^двсзщ»»») = ^лз Диз >

мех Лмек

^ДВСЗ(мр) :

ЛгЛлЦар) ПгЯ/Щир) Чг^АЕСир)

где Л два = 0 (при энергопитании ведущего колеса (ВК) только от ТАБ); Лдвсд = О (ДВС на участке рекуперативного торможения остановлен); Лдвс5 = 0 (на участке механического торможения); Лдвсб = 0 (на остановке).

Средняя величина требуемой мощности ДВС на участках его работы (8...39 с) за цикл:

^дас=Т2Э-.Вт (Тдвсц =31 с).

ДИСц

Объемный расход топлива за цикл (0,5 км) работы тягово-транспортного средства с комбинированной энергоустановкой можно определить по следующей формуле:

п _ ^ДВСцЯ. ц -

Рт

где 190-^- = 258,15 Г .

л.с.ч кВтч

Объемный расход топлива на 100 км пробега - 2 = (?ц 200. Результаты расчетов представлены в таблице.

Показатели применения вариантов распределения потоков мощностей

по двум каналам

Параметр Вариант I Вариант II Вариант III

Л'даСсред, кВт 28,91 21,74 26,10

Л две» кДж/кВтч 896,4/0,249 674,1/0,187 809,1/0,225

ЛдВС2исх, кДж 190,4 442,75 287,1

^2(наАБ), Дж 474,67 -19,6 410,77

Л^двсмех, кВт 0+35,3 22,94-5-57,55 26,1

Л'АБмахс, квт 32,1 32,1 0+44,2

(?ц, Л 0,08805 0,0662 0,079567

&/ю0км 17,61 13,24 15,91

Для варианта III (с постоянной величиной мощности ДВС на участке его работы в течение цикла) величина длительной мощности с учетом затрат энергии на собственные нужды и пусковые режимы двигателя внутреннего сгорания составляет:

Л'двср.б = ^двс^л х У>3 = 26-'х 1.03 = 26,9 кВт;

Ы,тг = 26,9 х — = 38,4 кВт = 52,2 л.с.

едьс 0 7

Рациональная коррекция рабочих режимов двигателя внутреннего сгорания и, соответственно, аккумуляторной батареи (увеличение /Уедвс, соответствующее уменьшение расхода топлива и энергоемкости АБ) производится в соответствии с параметрами устанавливаемого оборудования и экологическими требованиями к параметрам цикла.

Глава 3 «Экспериментальные исследования»

Целью проведения математического моделирования являлось определение требований к параметрам аккумуляторной батареи и к батарее суперконденсаторов.

□bd_par

File Edit View Simulation Fcxmat

-J-M I

^ total futl ustd (gjl

HC.CO. exhaust sys NOx, PM(gfc)

4<c_emis"1

Рис. 8. Концептуальная блок-схема элементов тягово-транспортного средства с комбинированной энергоустановкой, реализованная для моделирования в ADVISER

Требования к суперконденсатору зависят от многих факторов. Они включают конфигурацию мощности нагрузки, характеристики суперконденсатора, требуемую эффективность, долговечность конструкции и параметры воздействия ожидаемой рабочей среды. Для определения требований к суперконденсаторам был использован следующий подход: выбор технических характеристик системы с использованием гипотетической временной зависимости потребляемой мощности и ЙС-модели для суперконденсатора. Подбор результатов поможет определить важные факторы суперконденсаторов для комбинированной энергоустановки

и пригодность различных суперконденсаторов.

Исследования проводились на экспериментальном действующем тягово-транспортном средстве. Исследования проводились в два этапа. На первом этапе в качестве накопителя энергии были использованы суперконденсаторы ИКЭ МНПО «ЭКОНД» (3 шт., соединенные параллельно), на втором -аккумуляторные батареи.

power jvjlljble

'. j. .......а>...

Siturjt« T

|-»Q-l-HIg_iT.i>d_tmp | —►] ess_ai(_tmp |

л и •

Qessjjen Таг

Оаг

Рис. 9. Оперативная блок-схема для моделирования, выполненная в SIMULINK с использованием блоков ADVISER

Глава 4 «Экономическая часть»

Результаты статистического анализа позволяют утверждать, что при движении по трассе с установившейся скоростью 70 км/ч тягово-транспортное средство расходует примерно в 1,32 раза меньше топлива, чем серийный автомобиль, ДВС которой в 2,3 раза мощнее ДВС комбинированной энергоустановки.

Таким образом, проведенный сравнительный анализ экономичности тягово-транспортного средства и серийного автомобиля позволяет говорить о целесообразности использования TTC, предназначенных для деловых ежедневных поездок, не имеющих в то же время ограничений по дальности пробега. При этом расчетная экономия топлива: для типового графика движения - до 60 %; для установившегося движения со скоростью 70 км/ч - 32 %.

Общие выводы

1. Установлено, что для выбора технических характеристик суперконденсатора используется гипотетическая временная зависимость потребляемой мощности и ЛС-модель суперконденсатора. Эффективная область изменения напряжения на суперконденсаторе зависит от его RC, т. е. его выходной мощности.

2. Получено, что суперконденсатор с меньшим RC обладает более оптимальными техническими характеристиками, потому что имеет лучшую эффективность использования энергии и не должен обладать самой большой удельной энергоемкостью.

3. Испытания показали, что рекуперативное торможение на 9... 11% более эффективно при использовании суперконденсаторов, так как при использовании химических батарей оно существенно зависит от уровня их заряженности.

4. Результаты испытаний показывают, что суперконденсаторы превосходят батареи по токам нагрузки тягового двигателя на 30...40% в периоды разгона, а также более эффективно реализуют токи при регенеративном торможении, что позволяет реже использовать механические тормоза.

5. Результаты экспериментальных исследований позволяют утверждать, что при движении по трассе с установившейся скоростью 80 км/ч автомобиль с комбинированной энергоустановкой будет расходовать примерно в 1,32 раза меньше топлива, чем серийный автомобиль, ДВС которой в 2,7 раза мощнее ДВС комбинированной энергоустановки: для типового графика движения - до 60%; для установившегося движения со скоростью 80 км/ч - 32%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Фетисов, А. В. Система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания, оснащенного каталитическим нейтрализатором [Текст] / О. И. Знаменский, А. В. Фетисов, О. В. Закарчевский // Международный технико-экономический журнал. - 2009. - № 3. - С. 25-33.

2. Фетисов, А- В. Срок службы аккумуляторных батарей электромобилей [Текст] / О. Н. Дидманидзе, А. В. Фетисов, А. В. Строганов // Международный научный журнал. — 2011. - № 2. — С. 118-120.

3. Фетисов, А. В. Диагностирование и определение остаточной емкости аккумуляторной батареи электромобиля [Текст] / Д. Г. Асадов, А. В. Фетисов, А. В. Строганов // Международный технико-экономический журнал. - 2011. - № 1. - С. 122-127.

4. Фетисов, А. В. Руководство по диагностике, ТО и ремонту комбинированной энергоустановки гибридного автомобиля Toyota Prius NHW20 / О. Н. Дидманидзе, С. А. Иванов, Д. Г. Асадов, А. В. Фетисов, Я. В. Чупеев, О. В. Закарчесвкий. - 2-е изд., перераб. - М.: УМЦ «Триада», 2008. — 357 с.

Подписано к печати 28.04. 2011 г., формат 60x84/16, печать трафаретная, бумага офсетная, усл. печ. л. 0,93, тираж 100 экз., заказ № 218.

Отпечатано ООО «УМЦ «Триада» 127550, Москва, ул. Лиственничная аллея, 7-2

Перечень сокращений

Введение

Глава 1. Состояние вопроса, цепь и задачи исследования

1.1 Постановка проблемы

1.2 Основные направления работ но «чистым» ЭМ

1.3 Основные тенденции создания гибридных ЭМ

1.4 ЭМ с топливными элементами

1.5 Стандартизация

1.6 Европейские испытательные циклы

1.7 Японские нормативы на испытательные циклы и для оценки эмиссии

1.8 Основные типы тяговых аккумуляторных батарей

1.9. Эффективность электротранспортных средств

1.10. Мировой рынок электрических аккумуляторов

1.11. Получение электроэнергии для электромобилей

1.12. Цель и задачи исследования

1.13. Выводы по главе 1.

Глава 2. Математическое моделирование системы комбинированного привода тягово-транспортного средства

2.1 Анализ параметров комбинированной энергетической системы гибридного автомобиля

2.2 Тяговое оборудование TTC с КЭУ

2.3 Алгоритм работы тягового электропривода TTC с КЭУ (при движении TTC по циклу НАМИ-2)

2.4 Расчет энергетических характеристик КЭУ (при движении TTC по циклу НАМИ-2)

2.5 Определение зависимости требуемой величины мощности ДВС от времени движения NflBC(t)

2.6. Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальные исследования

3.1. Разработка принципиальной схемы зарядно-разрядного устройства суперкондесатора

3.2. Алгоритм работы комбинированной энергоустановки

3.3. Диспетчер режимов

3.4. Моделировайие работы гибридного электромобиля в режимах ездового цикла 81 3.4.1. Определение параметров суперконденсаторов

3.4.3. Модель суперконденсатора

3.5.4. Выбор приближения 84 3.3.4. Результаты подбора

3.5. Исследование взаимосвязей, процессов и закономерностей в гибридном электромобиле

3.6. Выводы по главе

Глава 4. Экономическая часть 94 4.1 Годовая экономическая эффективность в эксплуатации 94 4.2. Выводы по главе 4 97 Общие выводы 98 Список литературы 99 Приложение

Перечень сокращений

ДВС - двигатель внутреннего сгорания

ГСУ — гибридная силовая установка

КЭУ - комбинированная энергоустановка

ТЭД — тяговый электродвигатель

АБ — аккумуляторная батарея

ЕНЭ — емкостной накопитель энергии

КРВ — клиноременный вариатор

ВСХ — внешняя скоростная характеристика

ТЭП — тяговый электропривод

БП — бортовой преобразователь

ТАБ — тяговая аккумуляторная батарея

ЭМ - электромобиль

В связи с загрязнением окружающей среды в настоящее время происходит интенсивное развитие мирового рынка электрических транспортных средств (ЭТС), не оказывающих вредного воздействия на окружающую среду. Пока еще ЭТС дороги и заметно уступают традиционным транспортным средствам по целому ряду технических и экономических характеристик, однако уже поставлена и решается задача создания ЭТС, способных свободно конкурировать с обычными транспортными средствами как по техническим, так и по стоимостным показателям.

Анализ разработанных математических моделей тягово-транспортных средств (TTC) с комбинированными энергоустановками (КЭУ) показывает, что в настоящее время отсутствует гибкая" модель, позволяющая исследовать различные структурные варианты тягово-транспортных средств с комбинированными энергоустановками, режимы работы основных элементов, рационализировать графики движения, а также учитывать влияние переменных возмущающих воздействий на общую (универсальную) эффективность тягово-транспортных средств с КЭУ.

В настоящей работе сделана попытка восполнить вышеотмеченные пробелы в исследовании тягово-транспортных средств, что и предопределило ее цель и решаемые задачи.

По результатам теоретических исследований создана методика комплексной оценки эффективности КЭУ.

Полученные результаты позволяют установить степень использования КЭУ и обосновать выбор мощности и энергоемкости элементов тягового электропривода с КЭУ, а также правильно выбрать параметры тягового привода при проектировании ЭТС с КЭУ.

Общие выводы

1. Установлено, что для выбора технических характеристик суперконденсатора используется гипотетическая временная зависимость потребляемой мощности и .КС-модель суперконденсатора. Эффективная область изменения напряжения на суперконденсаторе зависит от его КС, т. е. его выходной мощности.

2. Получено, что суперконденсатор с меньшим ЯС обладает более оптимальными техническими характеристиками, потому что имеет лучшую эффективность использования энергии и не должен обладать самой большой удельной энергоемкостью.

3. Испытания показали, что рекуперативное торможение на 9. 11% более эффективно при использовании суперконденсаторов, так как при использовании химических батарей оно существенно зависит от уровня их заряженности.

4. Результаты испытаний показывают, что суперконденсаторы превосходят батареи по токам нагрузки тягового двигателя на 30.40% в периоды разгона, а также более эффективно реализуют токи при регенеративном торможении, что позволяет реже использовать механические тормоза.

5. Результаты экспериментальных исследований позволяют утверждать, что при движении по трассе с установившейся скоростью 80 км/ч автомобиль с комбинированной энергоустановкой будет расходовать примерно в 1,32 раза меньше топлива, чем серийный автомобиль, ДВС которой в 2,7 раза мощнее ДВС комбинированной энергоустановки: для типового графика движения - до 60%; для установившегося движения со скоростью \70 км/ч — 32%.

6. В результате расчета экономической эффективности разработанных предложений получено, что срок окупаемости составляет менее года.

1. Цибулка Ян. Качество пассажирских перевозок в городах /пер. с чешек.-М.: Транспорт, 1987.

2. Architektinickt bariery-jejich odstranovani.- Прага, 1987.

3. Housing for people with disabilities. London, 1989.

4. Типовая инструкция по обеспечению передвижения, пользующихся, в проектах общественных зданий: планировки и застройки населенных мест.-М.,1988.

5. Федутинов Ю.А., Шкляев H.A. Обеспечение возможности передвижения инвалидов и престарелых в больших городах //Сб. «проблемы больших городов» .-М.:МГЦНТИ, 1989.

6. Федутинов Ю.А., Шкляев H.A. Транспорт. -М.: Знание, 1990.-64с.-(Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Транспорт»; №11).

7. Аль-Масуд Тауфик. Индивидуальное транспортное средство с электроприводом и емкостным накопителем энергии. Дисс.канд.техн.наук. -Москва, 1995г.

8. Чайковский И.П., Соломатин П.А. Рулевые управления автомобилей. М.: Машиностроение, 1987, с. 176.

9. Фесенко М.Н., Капелинский A.B. Электропривод с емкостным накопителем энергии // Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в их роботизированном производстве /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1992, с.568.

10. Ю.Чиликин М.Г., Соколов М.М. и др. Основы автоматизированного электропривода. -М.: Энергия, 1974, с.568.

11. Серводвигатели SD-B. Руководство по эксплуатации №01. Bosch Indastrieans rustung. -№3820/Р 1-4/86.

12. Тенденции развития в США рынка малых электродвигателей.

13. Кенио Т. Нагамори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами: Пер. с англ.- М.: Энергоиздат, 1989, с. 184.

14. Henrich G. Telma Retarder Deuchland GmbH/ Germany/ The Present status off Electro-Magnegnetic Retardes in commtrcial Vehicles/ ISATA-26, 1993 p.313-324.

15. Гулна H.B. Накопители энергии. — M.: Наука, 1980, с.220.

16. П.Пополов A.C. Солнечный транспорт. М.: Транспорт, 1996. -166с.

17. Эйдинов A.A. Электромобили. Учебное пособие .- М.: МАМИ, 1997,с.80.

18. Эйдинов А. А, Дижур М.М. Направления развития тяговых источников тока для электромобилей. -М.: НАМИ, 1995, с.20.

19. Эйдинов A.A. Развитие систем автомобильной электротехники. .М.: НИИНавтопром, 1985, с.46.

20. Brusaglino G/ Electric Vehicle Development in Fiat // SAE-1991-№910244 p.27-52.

21. Проспект фирмы МАЙРА; MEYRA. Rollestuhle und Rehabilitationsmittle, Kalletal, 1996.

22. Проспект фирмы «ИНВАКАР»; 1993.

23. Проспект фирмы «ОРТОПЕДИЯ»; 1994.

24. Фесенко М.Н. , Хортов В.П., Чижиков Ю.П. Система электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания с конденсаторными батареями. //Межвузов. Сб. научн работ: Исследование автомобильных и транспортных двигателей. М.: МАМИ, 1987, Вып.8 с.56-62.

25. Накопители энергии / Бут Д-А. Алиевский Б.П., Мизюрин С.Р., Васюкевич П.В. М.: Энергоатомиздат, 1991, с.400.

26. Электромобиль техника и экономика / Щетина В.А. —JL: Машиностроение. Ленингр. отделение. 1987, с.253.

27. Ставров O.A. Перспективы создания эффективного электромобиля.-М.: Наука, 1984, с.28.

28. Теплинская Т.К., Машевич М.Н., Брустина Б.Б. Состояние, тенденции и перспективы научных исследований и разработок в области технологии тяговых аккумуляторов. М.: Информэлектро, 1980, с.40.

29. Brodd R.J. new battery tehnology for electric vehicles // Elec. Veh. New. -1981 ,-10.-1 .p.4-7.

30. Исследование тяговых систем автотранспортных средств (АТС) с бортовыми источниками энергии различной физической природы. Отчет о НИР// Петленко Б.И., Листвинский М.С., и др./-М.: МАМИ 1993, №Г.р.14900.

31. Аль-Масуд Туафик, Прохоров В.А, Петленко А.Б., Гурьянов Д.И. Электропривод индивидуального транспортного средства особо малогокласса // Научно-техн. прогресс в автомобилестроении /Тез. докл. Научно-техн.конф. —М.: 1994, с.46.

32. Дижур М.М., Эйдинов A.A. Расчетные исследования возможностей тяговых источников тока для электромобилей // Совершенствование технико-экономических показателей автомобильной техники /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1996, с.50-58.

33. Гурьянов Д.И., Воротников В.П., Петленко А.Б., Фомин А.П. К построению тяговых систем электромобилей // Материалы четвертого симпозиума. -М.: НИИАЭ, 1993. с.81-82

34. Докучаев C.B., Луганский К.П., Петленко А.Б, Тауфик Аль-Масуд. Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1995, с.33-38.

35. Быстрозарядные тяговые и стартерные батареи сверхемких конденсаторов. Новые экологически чистые источники энергии. Проспект фирмы ЭСМА. Москва, 1996.

36. Нгуен Куанг Тхиеу. Развитие солнцемобилей за рубежом // Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1995, с.55-58.

37. Лидоренко Н.С., Мучник Г.Ф., Бортников Ю.С., Иванов A.M., Постаногов В.П. электромобили. -М.:ВНТИЦентр, 1984.

38. Ставров O.A. Электромобили. —М.: ВИНТ информации, 1976.

39. Козловский А.Б., Яковлев А.И. Испытательные цикоы электромобиля //Автомобильная промышленность —М.: 1983, -№2.

40. Козловский А.Б., Яковлев А.И. Испытательные циклы электромобиля// Автомобильная промышленность.-М.:1979. -№1.

41. Щетина В.А„ Богомазов В.А. Влияние технико-экономических показателей автомобилей на эффективность их использования //Автомобильная промышленность. -М.: 1994, -№5.

42. Изосимов Д.Б., Макаров В.К. Система управления движением транспортного средства с учетом сухого трения колес и дорожного покрытия // Системы с разрывным управлением. / Сб.научн.тр. — М.: Институт проблем управления, 1982.

43. Изосимов Д.Б., Макаров В.К. система управления движением транспортного средства с учетом сухого трения колес и дорожного покрытия // Системы с разрывным управлением/Сб.научн.тр.- М.: Институт управления, 1982.

44. Украины; Харьковская государственная академия железнодорожного транспорта.

45. Петленко А.Б. Емкостные накопители энергии в электротранспортных средствах малого класса // Проблемы развития локомативостроения / Тез. докл. Международной научно-техн. конф. —М.: МИИТ 1996, с.65-66.

46. Петленко А.Б. Электрифицированная инвалидная коляска с энергосберегающей установкой // Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта/ Тез. докл. 2 Международной научно-техн. конф. -М.: МИИТ 1996, том 1 с.133.

47. Петленко А.Б. Электропривод инвалидной коляски // Проблемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития / Тез. докл. С Международным участием. —Ульяновск: УдГТУ, 1996, часть 1, с. 14-15.

48. Логачев В.Н. Электропривод электромобиля с комбинированной энергоустановкой и его эффективность. Дисс.канд.техн.наук. -Москва, 1987г.

49. Листвинский М.С. Исследование энергетических установок электромобилей. Дисс.канд.техн.наук. -Москва, 1972г.

50. Момджян A.A. Электромобиль с комбинированной энергоустановкой : двигатель внутреннего сгорания генератор - свинцово-кислотная аккумуляторная батарея. - Дисс.канд.техн.наук. -Ереван: 1985г.

51. Петленко Б.И., Логачев В.Н. Математическое моделирование электромобиля с комбинированной энергоустановкой. — Электричество, 1991, №11, с.56-59.

52. Ефремов И.С., Полыгин А.П. и др. Электрические трансмиссии пневмоколесных транспортных средств. -М.: Энергия, 1986, с.256.

53. Петленко Б.И., Макаров А.К. Петленко А.Б., Корчак A.C., Нгуен Каанг Тхиеу. Автотранспортное средство особо малого класса с электроприводом и комбинированной энергоустановкой, включающей емкостной накопитель энергии // Отчет о НИР / МАМИ. —М.: 1996.

54. Байрыева JI.C., Шевченко В.В. Электрическая тяга : Городской наземный транспорт: Учебник для техникумов. М.: Транспорт, 1986. -206с.

55. Кутыловский М.П. Электрическая тяга. -М.: Стройиздат, 1970,с.263.

56. Гурьянов Д.И. Оптимизация управления электромобилями малой грузоподъемности с приводами постоянного тока: Дисс.канд.техн.наук. — М.: МАДИ, 1992г.

57. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники; М.: Энергоиздат, 1993.

58. Андерс. В.И. Определение мощности элементов электрооборудования транспортных машин с электроприводом. / Тр. МЭИ. — М.: 1977. №308, с.22-29.69.3имилев Г.В. Теория автомобиля. —М.: Машгиз. 1959 с.312.

59. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров H.H. Теория электрической тяги. М.: Транспорт, 1983. -328с.

60. Draft International Standart ISO/DIS 7176-8. Wheelchairs Part 8: Requirement and test methods for static, impact and fotique stringhis. 1996, p.78.

61. Петленко А.Б. Особенности энергообеспечения инвалидных колясок // Электротехнические системы автотранспортных средств и их роботизированных производств /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1997, с.63-67.

62. Гурьянов Д.И., Листвинский М.С., и др. Математическое моделирование динамики работы тяговых аккумуляторных батарей // Электротехнические системы автотранспортных средств и их роботизированных производств /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1995, с.50-54.

63. Боровских Ю.И. Электрооборудование автомобилей. Справочник. -М.: Транспорт, 1971. -192с.

64. Акимов C.B., Боровских Ю.И., Чижков Ю.П. Электрическое и элёктронное оборудование автомобилей//-М.: Машиностроение, 1988, с.280.

65. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. М.: Транспорт, 1989.-286с.

66. Акимов C.B. Здановский A.JL. и др. Справочние по электрооборудованию автомобилей //-М.: Машиностроение, 1994, с.544.

67. Поляк Д.Г. Исследование тяговых режимов и технико-экономических показателей аккумуляторных автомобилей (электромобилей). -Дисс.канд.техн.наук. -Москва, 1961г.

68. Кавешников В.М. Исследование комбинированных энергетических установок автономных транспортных средств. -Дисс.канд.техн.наук. — Новосибирск, 1977г.

69. Тарасян А.П. Оптимизация электропривода электромобиля с широтно — импульсным управлением. -Дисс.канд.техн.наук. -Ереван, 1984г.

70. Мачульский И.И., Алепин Е.А. Машины напольного безрельсового транспорта. -М.: Машиностроение, 1982.

71. Луганский К.П., Гурьянов Д.И., Дижур М.М. Анализ взаимосвязей и процессов в электротележке с бортовым источником энергии // Электротехнические системы автотранспортных средств и их роботизированных производств /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1995, с.46-50.

72. Михайличенко Б.П., Шпаков А.С., Шевцов А.В. Концепция развития кормопроизводства в РФ. М.: ФГРУ Информагротех, 2000, 94 стр.

73. Wheelchairs parti: determination of static stability. ISO 7176/1-1986.

74. Wheelchairs — part4: determination of energy consumption of electric wheelchairs. ISO 7176/4,1988.

75. Гурьянов Д.И., Докучаев C.B., Шахов В.Д., Петленко А.Б. Оценка технико-эксплуатационных параметров электромобиля // Электротехнические системы автотранспортных средств и их роботизированных производств /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1997, с.23-31.

76. Гурьянов Д.И., Докучаев С.В., Шахов В.Д., Петленко А.Б. Оценка технико-эксплуатационных параметров электромобиля // Электрическиесистемы автотранспортных средств и их роботизированных производств /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1997, с.32-36.

77. Шаврин П.А., Гурьянов Д.И., Петленко А.Б. Алгоритм управления транспортным средством с индивидуальным приводом колеса // Электротехнические системы автотранспортных средств и их роботизированных производств /Сб.научн.тр.- М.: МАМИ, 1997, с.37-40.

78. Петленко А.Б., Чижков Ю.П. Исследование электропривода и алгоритмов управления инвалидной коляски с комбинированной энергоустановкой, включающей емкостных накопитель // Отчет о НИР / МАМИ. -М.: 1996.

79. Эллис Д.Р.Управляемость автомобиля. -М.: Машиностроение, 1975.

80. Калюжный М.Г. Разработка и исследование локальной системы управления моментом асинхронного привода мотор-колеса электромобиля. Автореф. канд. дисс. —Новосибирск, НЭТИ, 1980, с.21.

81. Кашников ВВ. Электропривод электромобилей с алгоритмами управления на скользящих режимах. Дис.канд.техн.наук. —М.: МАДИ, 1985, с. 190.

82. Ильюхин М.С. Исследование и разработка систем снятия перегрева в теплице. Дисс. канд. техн. наук. М.: 1973. 119 с.

83. Ильюхин М.С. Теплоснабжение отраслей АПК. М.:

84. Агропромиздат, 1990. 173, 2. с.

85. Ильюхин М.С., Рудобашта С.П. и др. Теплоснабжение агропромышленных комплексов: Учеб. Пособие для вузов / С.П. Рудобашта, Ф.Т. Сидоренков, М.С. Ильюхин. М.: МГАУ им. В.П. Горячкина, 1996. 127 с.

86. Организация и развитие фирменного технического сервиса машин и оборудования для АПК / Голубев И.Г., Быков В.В. Митракова В.Д., Ермолин H.B. М.: Росинформагротех, 2000. - 68с.

87. Повышение качества ремонта машин и оборудования в рыночных условиях / Голубев И.Г., Спицин И.А., Кузьмин В.Н. М.: Информагротех, 1999.-77 с.

88. Фетисов, А. В. Срок службы аккумуляторных батарей электромобилей Текст. / О. Н. Дидманидзе, А. В. Фетисов, А. В. Строганов // Международный научный журнал. — 2011. № 2. - С. 118—120.

89. Фетисов, А. В. Диагностирование и определение остаточной емкости аккумуляторной батареи электромобиля Текст. / Д. Г. Асадов, А. В. Фетисов, А. В. Строганов // Международный технико-экономический журнал.-2011.-№ 1.-С. 122-127.