автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Моделирование нестационарных режимов работы аккумуляторной батареи электромобиля

003482970

На правах рукописи

ИОАНЕСЯН АЛЕКСЕЙ ВИЛЬЯМОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

системы

1 2 " 'А "

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2009

003482970

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

Научный руководитель Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Ютт Владимир Евсеевич, профессор МАДИ(ГТУ), г.Москва Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор

Марсов Вадим Израилевич профессор МАДИ(ГТУ), г.Москва Кандидат технических наук, доцент Малеев Руслан Алексеевич профессор МГТУ «МАМИ», г.Москва

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования (ФГУП НИИАЭ), г. Москва.

Защита состоится 24 ноября 2009 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 при Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете)по адресу:

125329 ГСП А-47, Москва, Ленинградский пр., д.64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ(ГТУ)

Текст автореферата размещен на сайте Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета): www.madi.ru

Автореферат разослан 23 октября 2009 г.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять в адрес совета института.

Ученый секретарь /.

диссертационного совета, /?/ //,

кандидат технических наук, доцетОТ^' Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Автомобиль является источником выделения около 200 различных газов и химических соединений, ухудшающих экологическое состояние окружающей среды. Рост объемов производства и парка автомобилей в мире приводит к увеличению эмиссии отработавших газов, главным образом, в крупных городах. Кроме того, автомобили являются одним из основных потребителей углеводородного топлива, запасы сырья, для изготовления которого ограничены. Ужесточение экологических требований к автомобилям, сопровождаемое ростом цен на углеводородное топливо, активизировало работы по созданию альтернативных видов транспорта и в том числе электромобилей (ЭМ).

В настоящее время крупнейшие производители автомобилей (General Motors, Ford, Daimler-Chrysler, Toyota, Honda, Nissan, Mazda и др.) ведут интенсивные работы по проектированию и производству электромобилей. По таким характеристикам как запас хода и грузоподъёмность некоторые современные модели электромобилей вплотную приближаются к традиционным автомобилям, однако основным их недостатком является высокая стоимость.

Характеристики электромобиля и его стоимость в значительной степени определяются параметрами используемой энергетической установки и, в частности, аккумуляторной батареи (АБ). Для оптимизации параметров энергетической установки, расчёта характеристик электромобиля и определения его эффективности в сравнении с традиционным автомобилем основными инструментами являются математическое и имитационное моделирование.

Наиболее сложной задачей при построении модели электромобиля является моделирование работы АБ при её нестационарном разряде и заряде на электромобиле. Расчетное определение и анализ параметров АБ, кроме того, требуется в системе управления АБ на электромобиле, которая обеспечивает оптимальные условия работы, увеличивает срок службы, предотвращает перезаряд и чрезмерный разряд, обеспечивает безопасность эксплуатации и информирует водителя о степени заряженности и других параметрах батареи.

Диссертация посвящена разработке моделей движения электромобиля и исследованию нестационарных режимов работы аккумуляторной батареи электромобиля, что представляется весьма актуальным в настоящее время.

Цель и основные задачи исследования

Целью настоящей работы является создание обобщенной имитационной модели движения электромобиля и выбор характеристик АБ под заданные режимы движения электромобиля.

В соответствии с поставленной в диссертации целью решаются задачи:

• анализ и систематизация методов и моделей расчета характеристик АБ;

• формализация методики обработки и анализа статистических данных и имитационных экспериментов по анализу характеристик разряда;

• разработка имитационной модели нестационарного движения электромобиля;

• разработка методики интеграции разнородных компонентов

ЭМ;

• программная реализация имитационной модели ЭМ;

• постановка и решение задач оптимизации на имитационной модели.

Методы исследования

Теоретической основой диссертационной работы являются общая теория систем, методы оптимизации, случайные процессы, имитационное моделирование, исследование операций, регрессионный анализ, дисперсионный анализ и другие.

Научная новизна

Научную новизну работы составляют методы и модели нестационарных режимов работы АБ электромобиля. На защиту выносятся:

• агрегированное процессное представление имитационной модели нестационарного движения ЭМ;

• модели нестационарных случайных процессов динамики движения ЭМ и заряда/разряда АБ;

• модели классификации типов АБ и задачи выбора типов для заданных характеристик движения ЭМ;

• программная реализация имитационной модели ЭМ;

• алгоритмы оптимизации на имитационной модели ЭМ.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, определяется корректным использованием современных математических методов, согласованным сравнительным анализом экспериментальных зависимостей с

результатами имитационного эксперимента. Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения разработок в ряде крупных организаций.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования. Разработан программно-моделируюьций комплекс, позволяющий в интерактивном режиме использовать оперативные данные о состоянии процессов для принятия решений по выбору характеристик АБ электромобиля. Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию и внедрены для практического применения в ЗАО «МС ЛОГИСТИКА», ГНПП «КВАНТ», а также используются в учебном процессе в МАДИ (ГТУ). Результаты внедрения и эксплуатации подтвердили работоспособность и эффективность разработанных методов.

Апробация работы

Содержание разделов диссертации докладывалось и получило одобрение:

• на республиканских и межрегиональных научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах (2003-2009 гг.);

• на заседании кафедры «Электротехника и электрооборудование» МАДИ (ГТУ).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структура работы соответствует списку перечисленных задач, содержит описание разработанных методов, моделей и методик.

Во введении обосновывается актуальность работы, определена цель и поставлены основные задачи исследования.

В первой главе диссертации классифицированы современные АБ, определены их основные характеристики. Проведена систематизация известных методов расчета характеристик АБ и дана оценка возможности их применения при моделировании нестационарного нагружения.

Характеристики ЭМ в основном определяются показателями бортовых источников электрической энергии. В составе энергетических установок ЭМ наибольшее распространение получили свинцово-кислотные (PbAcid), никель-кадмиевые (Ni-Cd), никель-металлогидридные (Ni-MH) АБ и батареи на основе лития (Li-Ion, Li-Metal, Li-Poiimer)

Анализируя характеристики различных типов АБ, заявленные производителями, можно выделить две группы: батареи высокой энергии (тяговые), применяемые на "чистых" электромобилях и высокомощные (импульсные) батареи.

JL«l

Втч

200

205

-200

45

35

--150

-50

Pb-Acid

Mi-Cd

Ni-MH

Li-Metal Li-Pofimer

Рис.1. Сравнение различных типов АБ для электромобилей по величине удельной энергии.

Удельная энергия батарей первой группы достигает для свинцово-кислотных 35 Вт-ч/кг; никель-кадмиезых - 45 Вт-ч/кг, Эти батареи отличаются небольшой стоимостью, однако их использование значительно снижает эксплуатационные характеристики и ограничивает область использования ЭМ.

Перспективными являются никель-металлгидридные АБ Ет=80 Вт ч/кг, Рт=200 Вт/кг, литий-ионные АБ £т=140 Вт-ч/кг, Рт=420 Вт/кг и их разновидность с полимерным электролитом (Ы-РоНтег) Ет-205 Вт-ч/кг, Рт=420 Вт/кг. Значения удельной энергии приводятся для 3-х часового режима разряда, а значения мощности соответствуют импульсу длительностью 30 с при 80% степени заряженности.

Приведенных удельных характеристик батарей недостаточно для сравнения эффективности их использования на ЭМ, поэтому основной задачей диссертации является моделирование нестационарного нагружения АБ на ЭМ, для которой предлагается модель "черного ящика" с использованием классических методов планирования эксперимента.

По исследуемым параметрам (входным и выходным) можно выделить следующие группы методов:

• методы описания семейства разрядных кривых - зависимость и=Ц1, 0 при заданном постоянном значении температуры (Г=сопз1);

• вычисление максимального времени разряда (ёмкости батареи) в зависимости от тока разряда [¿т=Т(/), /=сопзЦ;

• методы упрощённого расчёта нестационарного разряда АБ, т.е. разряда при изменяющемся во времени разрядном токе или потребляемой мощности [(т=Щ /=уаг или [т=ЦР) Р=чаг]\

• определение момента окончания разряда АБ на данном токе, что находит применение не только при моделировании ЭМ, но и в системе управления АБ непосредственно на борту ЭМ;

• комплексные методы, определяющие зависимости и=Ц1, 7) и

Проведенный в работе анализ показал, что разделение методов моделирования работы АБ на описание процесса разряда и заряда весьма условно, поскольку большинство методов расчёта семейства разрядных кривых применимы и для описания временных зарядных характеристик.

Наиболее известным является метод аналитического описания разрядных характеристик АБ, предложенный Шефердом. Данный метод позволяет описать зависимость и = 1{1,0 в виде:

Е = Е.- К------/ - N - I + А -е '^ 0 - С • / • , (1)

О - / 1 ;

где Е3 - начальное напряжение разряда, В; К - коэффициент

поляризации, Ом-см; N - внутреннее сопротивление элемента, Ом-см;

О - количество (ёмкость) активного материала, А-ч/элемент; I - ток

разряда, А; <■- время разряда, ч; А - эмпирический коэффициент, В; В -

эмпирический коэффициент; С - коэффициент, (В-см)/(А-сек).

Основной недостаток метода заключается в том, что коэффициенты подбираются для определенного диапазона разрядных токов и при выходе за этот диапазон погрешность аппроксимации значительно увеличивается.

Одним из наиболее простых и точных способов оценки характеристик АБ при её нагружении изменяющимся во времени током является метод Хокси. В основе метода лежит соотношение Пейкерта, определяющее зависимость максимальной ёмкости батареи (времени разряда) от тока разряда

1П^т=Кт, (2)

где / - разрядный ток; ¡т - время окончания разряда (время отсечки); л, Кт - эмпирические постоянные для отдельных типов аккумуляторов (коэффициенты Пейкерта). Основное расчетное соотношение представляет:

Ч Д1т-и) 1 Ж,-и ^ /Оп-и

где 1ь l2 ... /z - значения токов на участках графика разряда /=f(f); th t2 ... tz - время разряда соответствующими токами /,, /2 ... 1г.

В данной модели график тока /=f(f) представляет кусочно-постоянную функцию, разделенную на z участков. Для рабочего диапазона токов определяются коэффициенты Пейкерта. Для решения уравнения Хокси используется поисковый алгоритм определения tm при условии равенства единице правой части уравнения.

Применяя данный метод к расчёту электромобиля, задав в качестве исходного графика /=f(f) изменение тока батареи в цикле движения, можно рассчитать максимальное количество циклов, которые выполнит электромобиль до полного разряда батареи NicUtu, где f4-длительность одного цикла.

В работе на основании имитационного эксперимента была проведена оценка точности нескольких методов упрощенного расчета нестационарного нагружения АБ при движении ЭМ в цикле SAE j 227С (табл.1.). Рассматривался ЭМ с АБ OPTIMA YellowTop D 1000 S (на ЭМ устанавливалось 10 последовательно соединённых АБ общей массой 195 кг).

Таблица 1.

Результаты расчёта движения электромобиля_

Количество циклов tm, Ч 1жв, А L, км

Метод Хокси 13,8 0,31 114 7,5

Метод эквивалентного тока 15,6 0,35 103 8,5

Метод "Fractional Utilization" 16,9 9,1

Имитационная модель движения ЭМ 14,6 132 7,9

Проведенное исследование показало согласованность результатов имитационного моделирования и результатов по Хокси. Однако необходимо учитывать, что значительную неточность может внести разбиение исходного графика нагрузки на интервалы с постоянным значением тока или мощности.

На основе проведенных в диссертации исследований для моделирования нестационарного нагружения АБ при различных режимах и условиях движения ЭМ предлагается использование гибридных аналитико-имитационных моделей на основе декомпозиционного подхода, который базируется на следующих аксиомах теории сложных систем: Иерархия: если £0 подсистема системы £ и 0(....) - мера сложности, то 9(20)^Э(£), т.е. подсистема не может быть более сложной, чем система в целом. Параллельное соединение: если .....>Гк, т.е. I является параллельным

соединением подсистем X, то 8(х) = тах8(2у). Последовательное

}<1<к

соединение: если Е=Х1+22+...+Хк, т.е. X является последовательным соединением подсистем Х(, то 0(2)< 0(Х1)+0(Х2)+... 0(2к). Соединение с обратной связью (ОС): если присутствует операция ОС ® из подсистемы Х2 в подсистему то 0(2)<0(21)+9(2а)+0(22®21). Перечисленные свойства сложной системы допускают возможность снижения ее видимой сложности путем объединения отдельных переменных в подсистемы. При такой декомпозиции преследуется цель упростить анализ системы, рассматривая ее как слабо связанную совокупность взаимодействующих подсистем.

Во второй главе ставится и решается задача формализации принципов построения имитационной модели ЭМ. Под функционированием понимается процесс изменения ее состояния во времени. Моделирование процесса в целом должно включать модель дорожного полотна, модели взаимодействия колеса с дорожным полотном, модели самой машины, трансмиссии и других, причем все они связаны между собой и вложены одна в другую (рис.2.).

Предполагается, что система - это множество параметров <3 = {<7,-}"=1 (влажность, угол поворота и др.). Каждый параметр у, принимает множество числовых значений Определим

состояние процесса в целом, как э'=< 'п >, где д'ест(д,).

Процесс 1 есть четверка: 2=<5, Т, Р, а>, где в - пространство состояний; Т - множество времен изменения состояний; Р - фазовая характеристика процесса, определяемая как преобразование состояния во времени Г.Т-^Э, а- отношение линейного порядка на Т.

Интегро-дифференциальные

уравнения ___ (МаНаЬ)

Модель покрытия

Рис. 2. Взаимосвязь моделей динамики ЭМ.

Интервал времени моделирования передвижения ЭМ равен [fo, fK], где tH=min{t}, tK=max{t}. Предполагая, что на отдельных

участках ЭМ ведет себя достаточно равномерно, возможна декомпозиция всего процесса на подпроцессы. Подпроцесс есть подмножество процесса Z на интервале времени ft; /,]. Понятие подпроцесса позволяет рассматривать процесс в виде некоторой последовательности подпроцесов. Для обеспечения корректности описаний функционирования как системы в целом, так и ее компонентов, вводится ряд операций над процессами.

Процесс Zi=<S1, 7i, Fb си> представляет свертку процесса Z, если он получен в результате следующих преобразований: а) произведено полное разбиение интервала определения процесса Z на п подинтервалов [ij, x]+i], где j=1..n, причем ц=tH, xn+i• Тогда мы получим разбиение процесса Z на п подпроцессов 7! (j=1...п); б) поставим в соответствие каждому подпроцессу Zy одно значение состояния s( из множества Sj и одно значение времени р' из

интервала [xj, xj+1]. Операция развертки является обратной по отношению к операции свертки: процесс Z является разверткой процесса Zh Процесс Z\ является проекцией процесса Z на координатное пространство SQi (обозначение Z, = Z), если

QicQ.

Пусть заданы процессы Z^=<SQ], Ть Fb щ> и Z2=<S02, Т2, F2l а2>-

Процесс Z=<S0, Т, F, а> является объединением процессов Zi и Z2

(обозначение Z- Z-iuZ2), если: SQ является объединением пространств SQi и SQi.

Введенные операции позволяют создать формализованное описание как отдельных составляющих процессов (профиль дороги, динамическое изменение характеристик движения и др.), так и взаимодействие компонентов всей системы.

Модель движения ЭМ включает компоненты, приведенные ниже.

Модель механической части

При движении ЭМ по участку дороги с сухим ровным асфальтобетонным покрытием без уклона сила сопротивления движению Fc складывается из силы сопротивления качению FCK и силы сопротивления воздуха Fce:

Fc =Fck +FCB = f-m-g + KV-S~ H, (4)

где f - коэффициент сопротивления качению; m - полная масса электромобиля, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2, Kv -

коэффициент сопротивления воздуха, Нс2/м4; S - поверхность обдува, м2; V- скорость ЭМ, км/ч;

Сила сопротивления движению создаёт на колесе ЭМ момент сопротивления, который с учетом передаточных чисел трансмиссии приводится к валу электродвигателя с учетом КПД трансмиссии.

Таким образом, момент сопротивления движению на валу

электродвигателя Мс = ——— И м, Где гк - радиус качения колеса,

hp '71тр

м; /тр - передаточное число трансмиссии; т]Тр- КПД трансмиссии.

Кроме того модель механической части должна учитывать движение ЭМ по участку дороги с уклоном (подъёмом или спуском) и сопротивление движению обусловленное неровностями дороги. При моделировании движения ЭМ на спусках следует учитывать рекуперацию энергии торможения.

Модель электродвигателя

В качестве тягового электродвигателя ЭМ в работе рассматривался двигатель постоянного тока (ДПТ). При всех известных недостатках этого типа двигателей, ДПТ позволяет регулировать частоту вращения в широких пределах наиболее простыми способами. Кроме того, используя двигатель независимого возбуждения, можно смоделировать множество рабочих характеристик различных типов, изменяя напряжение и задавая любые законы изменения тока возбуждения в функции тока якоря.

Момент на валу электродвигателя определяется на основании:

М2 = 9,55 H ■ м. (5)

Полезная мощность Р2 определяется из разности Р2 = Pi - £ДР„, где Pi - потребляемая от аккумуляторной батареи мощность; SAРп -суммарная мощность потерь в электродвигателе.

В имитационной модели электродвигателя суммарная мощность потерь рассчитывается на каждом шаге, на основании конструктивных параметров ДПТ и полученной при испытаниях характеристики холостого хода Е = f(lB) при постоянной частоте вращения вала электродвигателя.

Несмотря на тенденцию к использованию на ЭМ в качестве тяговых электродвигателей асинхронных двигателей или бесконтактных двигателей на постоянных магнитах, рассмотрение ДПТ остается наиболее удобным и вполне достаточным при решении задач имитационного моделирования ЭМ для получения картины нагружения АБ.

Модель системы управления

Управлять частотой вращения вала электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения можно тремя путями: изменением напряжения на якоре, изменением магнитного потока или изменением сопротивления в цепи якоря. Для моделирования разгона ЭМ использовались первые два способа, сочетание которых принято называть двухзонным регулированием. Для упрощения расчёта ток якоря при разгоне поддерживался постоянным: на первом этапе - за счёт повышения напряжения, на втором - за счёт уменьшения магнитного потока. При достижении определённой скорости движения магнитный поток фиксируется, что обеспечивает через некоторое время выход электромобиля на режим движения с установившейся скоростью.

Регулирование напряжения на двигателе Uß может производиться с помощью тиристорного устройства управления методом широтно-импульсного регулирования; при этом скважность у изменяется от О до 1:

Ua=UE-j = UB- у В, (6)

где иБ - напряжение батареи, В; t - длительность импульса напряжения 1Уд с; Г - период повторения импульсов, с.

Модель режимов движения

В работе смоделировано движение электромобиля, как в стандартном испытательном цикле SAE j 227 С, так и в режиме, сформированном на основании экспериментальных графиков движения. Цикл SAE j 227 С является одним из наиболее напряженных. Пробег за цикл составляет 537 м, средняя скорость движения - 25 км/ч, среднее ускорение при разгоне 0,74 м/с2, при торможении -1,23 м/с2.

На основании экспериментальных графиков движения разработана методика формирования режима движения путем случайного выбора циклов и формирования случайной их последовательности. Таким образом, имитировалось неупорядоченное городское движение.

Режимы движения, полученные на основании экспериментальных данных, существенно отличаются от режимов движения в цикле SAE j 227 С, в частности, при расчете для реальных режимов движения получен меньший удельный расход энергии (260 Вт-ч/км), чем для движении в цикле (390 Вт-ч/км).

Модель аккумуляторной батареи

В первой главе диссертационной работы были рассмотрены известные методы аппроксимации разрядных кривых АБ при постоянных значениях тока. Эти методы являются статическими, т.е. не учитывают изменение режима разряда аккумуляторной батареи, постоянно происходящего на электромобиле. При моделировании нестационарного нагружения АБ необходимо учитывать зависимость максимальной емкости батареи от тока разряда. Для этого наиболее подходящим является уравнение Пейкерта (2).

На рис.3, представлен упрощенный алгоритм, позволяющий определить напряжение на АБ на каждом шаге расчета в имитационной модели движения электромобиля.

Рис. 3. Блок-схема модели работы аккумуляторной батареи на ЭМ.

Данный подход к расчету нестационарного разряда АБ может быть распространен и на описание нестационарного заряда происходящего при рекуперативном торможении.

Конечной целью разработки модели электромобиля является определение его эксплуатационных показателей и характеристик АБ в заданном режиме движения. В качестве основных параметров были приняты следующие:

• пробег (запас хода);

• расход энергии при движении;

• расход энергии на единицу пути и грузоподъёмности;

• удельная энергия, отданная батареей.

Исходными данными для расчета являются:

• параметры батареи и (или) накопителя энергии: семейство временных разрядных и зарядных характеристик для значений тока в рабочем диапазоне при постоянной температуре, масса батарейного модуля и дополнительного оборудования, количество устанавливаемых модулей и др.;

• параметры электродвигателя: номинальные ток и напряжение, сопротивление якорной цепи и обмотки возбуждения, конструктивные данные, характеристика холостого хода и др.;

• параметры базового автомобиля: полная масса, передаточные числа коробки передач и главной передачи, КПД трансмиссии, момент инерции и радиус качения колёс, коэффициент сопротивления воздуха, площадь обтекаемой поверхности, коэффициент сопротивления качению, грузоподъёмность и др.;

• параметры режима движения.

В третьей главе диссертационной работы проведен анализ экспериментов и модельных данных на разработанной имитационной модели и решается задача выбора параметров АБ.

При моделироваении движения ЭМ в цикле SAE j 227 С были получены результаты со структурой данных представленной в табл.2.

Результаты факторного анализа (табл.3.) показали, что уже три фактора определяют 97% информации, что позволяет существенно сократить количество латентных факторов и, соответственно, размерность имитационной модели.

Таблица

t,c Е,В ид,в 1я,А Ф, мВб мс, Н-м М2, Н-м V, Км/ч п, мини мс, Н-м W, Дж Y

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1.00 129.93 25.21 250,00 7,2 19.49 120.11 3.00 280,92 0,46 4487.4 0,02

2,00 129,80 41,11 250,00 7,2 19,58 121,19 6,23 583,47 1,81 12873,1 0,32

38,00 116,73 116,30 111,73 3,4 26,36 23,40 47,53 4449.1 393,5 828817,1 -

Результаты факторного анализа (табл.3.) показали, что уже три фактора дают 97% информации, что позволяет существенно сократить количество латентных факторов и соответственно размерность имитационной модели.

Для уточнения аналитического представления разрядных характеристик АБ 6ЭМ-145, из которых сформирована аккумуляторная батарея электромобиля общей массой 3,5т и массой батареи 700 кг, с целью изучения возможности кратковременного подзаряда АБ в течение рабочей смены и, как следствие, увеличения пробега, был проведен эксперимент по испытанию батареи 6ЭМ-145 по специальной программе. Эксперимент проводился в течение 2 месяцев на 2-х батареях 6ЭМ-145.

Таблица 3.

Информативность абстрактных факторов

„ _ Накопленные Накопленный Собственное Процент _______

значение дисперсии значения дисперсии

1 8.689550 78,99591 8,68955 ..............78,9959

2 1,173346 10,66678 9,86290 89,6627

3 .....0,832481 7,56801 10.69538 97,2307

4 0,235172 2,13793 10,93055 99,3686

Испытания проводились по следующей методике:

1. Заряд двухступенчатым током 23А и 11,5А (рекомендуемый заводом- изготовителем аккумуляторных батарей)

2. Контрольный разряд (по рекомендации завода изготовителя) током 145А до минимального значения напряжения 9В.

3. Заряд до 20%,50% и 80% степеней заряженности токами 23,45 и 95А.

4. Разряд током 145А до минимального значения напряжения 9В.

В качестве измеряемых и вычисляемых величин были: снятая

емкость, зарядная емкость, степень заряженности, коэффициенты полезного действия по емкости и энергии и др.

Итоги множественной регрессии практически для всех зависимых переменных показали статистически значимые результаты (коэффициент корреляции был равен R=0,9989, а F-отношение F(2,6)=1392,8). В результате показана возможность правомерного использования линейных моделей.

Первый этап разгона рассчитывается при значении магнитного потока Ф = Фтах = 0,0072 Во и поддержании тока якоря на постоянном уровне 1Я = 1Я1 = 250 А. Этот этап начинается в момент времени f = 0 и заканчивается при достижении скважности равной 1. Постоянные величины для данного этапа разгона: ток возбуждения /0 = а Фтах3+

Ь-Фтах2+ с-Фтах =10,68 А и напряжение на обмотке возбуждения ив = /'Rob

В соответствии с принципом двухзонного регулирования, увеличение частоты вращения вала электродвигателя при полном напряжении можно осуществить с помощью ослабления магнитного поля. Это реализуется в электронном регуляторе тока, управляющем независимой обмоткой возбуждения. Второй этап разгона начинается в момент времени, соответствующий и заканчивается при достижении электромобилем заданной скорости. Начальными значениями V, п, Ug и др. являются результаты расчёта последнего шага разгона при полном потоке, когда у= 1.

Таблица 4.

Результаты множественной регрессии _

Статистика Стандарт -ная ошибка Оценка Параметра регресс-сии Стандартная ошибка Статистика Стьдента на доверительный интервал уровень ошибки принятия значимости параметра регрессии

Свободный член -0,267327 1,944346 -0,13749 0,895142

А 0,005475 0,019047 0,006819 0,023722 0,28744 0,783445

V3 0,999526 0,019047 1,233841 0,023513 52,47575 0,000000

Торможение электромобиля может быть механическим или рекуперативным. Последний этап движения в цикле начинается в момент времени t = tg + tcr+ tco и заканчивается когда t = ta + tcr+ tco + tb. Торможение в цикле SAE j 227 С происходит с постоянным замедлением, которое можно определить как: a=VBb,6/(3,6-tb) м/с2, где УВыб - скорость к концу выбега, км/ч

Проведенные в диссертационной работе имитационные эксперименты по оценке характеристик движения ЭМ показали, что условно-нестационарный случайный процесс характеристик хорошо аппроксимируется процессом с автоковариационной функцией вида:

/-(?) = ст2 (aie-Cli+a2e-C2i), (7)

где Oi>0 и с2>0 параметры автоковариации, а ои и а2 - некоторые функции параметров с, и с2. В работе вычислено значение дисперсии:

О3<(Т) = ~ф)-^г2(0) + -^г2(Т), (8)

где r-,(t) и r2(t) соответственно равны:

{ \

VC1

/• N

a2 0-C;f

c,2 c?

(9)

Получены аналитические выражения для описания условно-нестационарного процесса. Пусть вектор-столбец S=(S0l S.b ... , S.m)T определяет значения характеристик передвижения Z,(t) в моменты St=(t0,t.b...,t-m), (to>t.i>.. >t.m). Тогда математическое ожидание равно: М{£ | SX0 = Щ + адо • D'I • (S - MS) = у + Dse(t)D;l ■ (S - yE), (Ю)

где у - математическое ожидание процесса;

Е - вектор-столбец единиц размерностью (т+1).

Ковариационная функция процесса определяется выражением: R№ = «\t-u\)-D(,(t)-D£-DT(e(u), (t>tvii>t,), (11)

где D(û(t) = (r(t-t0), rft-t.-i),..., rft-t-m) вектор-строка ковариаций;

Dm=\\covfe(ti), c(ti))\\=\\r(trt)\\, i,j-0..-m - матрица ковариаций предыстории процесса в моменты th tf, r(t) - автокорреляционная функция стационарного режима передвижения.

В качестве алгоритмов управления режимами движения ЭМ в диссертации выбраны алгоритмы стохастической аппроксимации. Пусть X векторная переменная в R w, для которой выполняются условия:

1. Каждой комбинации управляемых параметров X соответствует случайная величина У характеристик передвижения с математическим ожиданием MY(X).

2. MY(X) имеет единственный максимум, и вторые частные производные с^/ИУ/дх.дх, ограничены на всей области изменения режимов управления.

3. Последовательности {ак} и {ск} удовлетворяют условиям:

»fa ^

a) limck =0, б)£а,=со, в)£ак-ск <«, г) £ -

"~>х 1 , , \Ckj

<00. (12)

4. Рекуррентная последовательность случайных режимов управления определяется на основании переход по знаку приращения: ХЛ+1 = Хк +ак ■щп(ЬУк).

5. Вектор АУц изменения характеристик передвижения определяется на основании реализации случайных значений текущих режимов Хк в соответствии с одним из планов ГЦ, П2 или Пз:

П1=[Хк, Хк+ск£1, . . ., Хк+скЕ|,. .., Хк+скЕы]т - центральный план;

П2=[Хк+скЕ1, Хк-скЕ1, . . . Хк+ск£м, Хк-ск£ы]т - симметричный план;

П3=[Хк, Хк+скЕ1, Хк-скЕ-ь . . . Хк+скЕы, Хк-скЕ^т,- план с центральной точкой, где Е, = ¡0, 0, ... 1, ... О Г.

И 2 / И1

6. Дисперсия оценки характеристик передвижения ак2 при каждой комбинации режимов Хк ограничена стк2<ст2<°с.

Проведенные в диссертации исследования показали, что при выполнении перечисленных условий последовательность выбранных режимов управления Хк с вероятностью 1 сходится к оптимальным значениям.

В результате проведенной формализации алгоритм функционирования управляемой имитационной модели передвижения ЭМ представляет собой следующую последовательность действий:

1. Начальная настройка модели и выбор начальных режимов передвижения Х0, к= 0.

2. При заданной комбинации режимов Хк в его локальной окрестности в соответствии с одним из планов П| (¡=1,2,3) генерируются выборочные траектории характеристик передвижения (^хк.^^м1" длительностью Т каждая из общего начального состояния эк.

3. Вычисляются среднеинтегральные оценки характеристик для всех 1=1...I. при общем начальном состоянии в/,:

= (13)

' о

4. Вычисляются оценки координат вектора р. - градиента функции характеристик от режимов управления У(Хк).

5. Выбирается очередное значение режима управления:

Хш = Хк+а&к (14)

6. Задается начальное состояние зк+1 следующего интервала управления, равное конечному состоянию одного из процессов предыдущего шага.

7. В соответствии с выбранным критерием останова выполняется переход к пункту 2, либо к окончанию моделирования.

В четвертой главе проведена апробация разработанных методов и моделей.

При выборе размеров АБ, устанавливаемой на ЭМ, для оптимизации соотношения между грузоподъёмностью и пробегом электромобиля используют понятие транспортной работы А=Оэ± т-км, где ¿э - грузоподъёмность ЭМ, т; - запас хода ЭМ (пробег). Грузоподъёмность ЭМ вэ=60 - т6 I 1000 т, где в0=СА -Ат -грузоподъёмность шасси, определяемая по грузоподъёмности базового автомобиля с учётом массы Ат, высвобождаемой при замене ДВС на систему электропривода, т; т5 - масса источника энергии, кг. Значение пробега электромобиля в общем случае

рассчитывается по известной в литературе формуле = км,

с

где Ет- удельная энергия источника тока, Вт-ч/кг; ст- удельный расход

энергии при движении, Вт-ч/км. В результате для транспортной работы справедливо:

A = L-G3=^!^(G0-!^) = p-G0-m6m---^--mL, т-км, (15)

о 1000 1000

где: коэффициент р = ^ км/кг.

а

На основании разработанной имитационной модели был проведен расчет движения ЭМ на базе автомобиля ГАЗ 2705 "ГАЗель" с грузоподъёмностью 6о=1700 кг. Расчёт проводился для источников, собранных из 10 последовательно соединённых блоков батарей OPTIMA D 1000 S. Число параллельно соединённых батарей в каждом блоке изменялось от 1 до 8. Таким образом, с шагом 20 кг изменялась масса источника энергии в теоретически возможных пределах от 0 до

Ga.

Расчёты были проведены для движения в цикле SAE j 227 С и для движения с постоянной скоростью. На рис.4, показаны теоретическая и полученная при имитационном моделировании зависимости транспортной работы от массы аккумуляторной батареи.

Рис. 4. Зависимости транспортной работы от массы аккумуляторной батареи.

По результатам расчёта максимум транспортной работы достигается при массе батарей, несколько большей, чем половина грузоподъёмности. Это объясняется возрастанием удельной энергии Ет источника тока с увеличением его ёмкости.

Цикл SAE j 227 С является одним из самых напряжённых испытательных циклов, безостановочный режим движения - напротив, один из самых легких. Исходя из этого, можно предположить, что графики, соответствующие промежуточным режимам движения, будут располагаться в области, ограниченной соответствующими кривыми, а максимум транспортной работы при работе на батарее OPTIMA D1000S лежит в диапазоне от 920 до 926 кг.

В заключении представлены основные результаты работы.

Приложение содержит документы об использовании результатов работы.

Основные выводы и результаты работы

1. Проведена классификация АБ и анализ известных методов расчета характеристик АБ. Дана оценка возможности их применения при моделировании нестационарного заряда и разряда АБ.

2. На основе проведенных в диссертации исследований для моделирования нестационарного нагружения АБ при различных режимах и условиях движения ЭМ предложено использование декомпозиционного подхода, который позволяет интегрировать гибридные аналитико-имитационные модели, включая модели механической части, системы управления, режимов движения и другие.

3. В работе поставлена и решена задача формализации принципов построения имитационной модели ЭМ с использованием процессного описания объектов и компонентов системы, позволяющая, имитировать нестационарные режимы движения ЭМ и их влияние на нестационарные характеристики нагружения АБ.

4. Проведен факторный анализ характеристик разгона, который показал, что уже три фактора объясняют 97% информации. Это позволило существенно сократить количество латентных факторов модели и тем самым размерность имитационной модели.

5. Разработана методика проведения эксперимента по сравнительному анализу характеристик разряда аккумуляторных батарей и проведены эксперименты. Полученные экспериментальные данные показали, что практически для всех зависимых переменных правомерно использование линейных моделей.

6. Проведенные имитационные эксперименты по оценке характеристик движения ЭМ показали, что нестационарный случайный процесс характеристик хорошо аппроксимируется процессом с гиперэкспоненциальной автоковариационной функцией. Получены аналитические выражения для описания характеристик условно-нестационарного процесса.

7. Для решения задач оптимизации на имитационной модели в качестве алгоритмов управления выбраны алгоритмы стохастической

аппроксимации, которые обеспечивают высокую скорость сходимости в условиях больших дисперсий характеристик движения.

8. Разработан программно-моделирующий комплекс, который внедрен для практического применения в ряде предприятий, а также используется в учебном процессе в МАДИ(ГТУ).

Публикации по теме диссертационной работы

Результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах.

1.Иоанесян A.B. Методы расчёта характеристик аккумуляторных батарей для электромобилей / Е.И.Сурин, А.В.Иоанесян // Материалы научно-методической и научно исследовательской конференции МАДИ (ГТУ). -М., 2003. - С.29-36.

2. Иоанесян A.B. Методы определения окончания разряда и заряда аккумуляторной батареи на электромобиле / Иоанесян A.B. // Электротехника и электрооборудование транспорта. - М.: 2006, №6 -стр. 34-37.

3. Иоанесян A.B. Основные параметры аккумуляторных батарей для электромобилей / A.B. Иоанесян // Методы и модели прикладной информатики: межвуз сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - М., 2009. - С.121-127.

4. ИоанесянA.B. Модель механической части электромобиля / A.B. Иоанесян // Методы и модели прикладной информатики: межвуз сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - М„ 2009. - С.94-99.

5. Иоанесян A.B. Обобщенная имитационная модель движения электромобиля / A.B. Иоанесян // Принципы построения и особенности использования мехатронных систем: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - М., 2009. - С.4-9.

6. Иоанесян A.B. Модели нестационарных процессов движения электромобиля / A.B. Иоанесян // Принципы построения и особенности использования мехатронных систем: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - М., 2009. - С.10-18.

Подписано в печать 22 октября 2009 г. Формат 60x84x16 Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 52 "Техполиграфцентр" Россия, 125319, г. Москва, ул. Усиевича, д. 8а. Тел.:8-916-191-08-51

ВВЕДЕНИЕ.

X. АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК АБ В УСЛОВИЯХ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ НАГРУЖЕНИЯ.

1.1. Актуальность проблемы разработки электромобилей и моделирования характеристик движения.

1.2. Анализ и классификация характеристик аккумуляторных батарей.

1.2.1. Интегральные параметры аккумуляторных батарей.

1.2.2. Внешние характеристики.

1.2.3. Удельные показатели параметров батареи.

1.2.4. Требования к источникам энергии электромобилей.

1.3. Анализ методов и моделей описания режимов работы аккумуляторов.

1.3.1. Классификация методов расчета стационарных и нестационарных режимов разряда и заряда.

1.3.2. Метод Шеферда.

1.3.3. Метод аппроксимации разрядных кривых математическим уравнением.

1.3.4. Предлагаемый метод массивов экспериментальных данных.

1.3.5. Метод определения максимальной ёмкости при заданном токе разряда (метод Пейкерта).

1.3.6. Метод Хокси.

1.3.7. Метод эквивалентного тока.

1.3.8. Модель батареи "Fractional Utilization".

1.3.9. Методы определения окончания разряда и заряда АБ на электромобиле.

1.3.10. РТМ 37.003.028-83.

1.4. Оценка точности методов аналитического описания разрядных кривых АБ.

1.4.1. Применение методов расчёта разрядных кривых к описанию временных зарядных характеристик.

1.4.2. Оценка точности методов упрощённого вычисления энергетических показателей электромобиля.

1.5. Декомпозиционный подход к моделированию ЭМ.

1.6. Имитационные и гибридные модели.

Выводы по главе 1.

2. РАЗРАБОТКА ОБОБЩЕННОЙ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ НЕСТАЦИОНАРНОГО ДВИЖЕНИЯ ЭМ.

2.1. Формализация имитационной модели динамики перемещения ЭМ.

2.1.1. Формальные операции над имитационными процессами.

2.1.2. Система, объекты и задание процесса.

2.1.3. Алгоритмическая модель имитационного процесса движения ЭМ.

2.1.4. Структура и параметризация процесса.

2.1.5. Схемы описаний функционирования обобщенной имитационной модели ЭМ.

2.2. Интеграция моделей компонент ЭМ.

2.2.1. Модель механической части.

2.2.2. Модель электродвигателя.

2.2.3. Модель системы управления.

2.2.4. Моделирование режимов движения в цикле SAE j 227 С.

2.3. Описание алгоритмической схемы расчёта.

2.3.1. Моделирование режимов движения на установившейся скорости.

2.3.2. Дополнительные условия и особенности расчёта.

2.3.3. Блок-схема имитационной модели АБ.

Выводы по главе 2.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ

ДВИЖЕНИЯ ЭМ И РАБОТЫ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ.

3.1. Анализ режимов движения электромобилей.

3.2. Принципы построения адаптивного алгоритма управления ЭМ.

3.3. Характеристики случайных процессов передвижения.

3.3.1. Дисперсия среднеинтегральной оценки.

3.3.2.Модель авторегрессии.

3.3.3. Характеристики условно нестационарного процесса.

3.3.4. Характеристики среднеинтегральной оценки.

3.4. Разработка алгоритма адаптивного управления.

3.4.1. Анализ эффективности алгоритма управления.

3.4.2. Постановка задачи.

3.4.3. Анализ поведения алгоритма при постоянной длине шага.

3.4.4. Анализ поведения алгоритма при переменной длине шага.

Выводы по главе 3.

4. АПРОБАЦИЯ МЕТОДОВ И МОДЕЛЕЙ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ЭМ И АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ.

4.1. Выбор конструктивных параметров электромобиля.

4.2. Модель параметризации дорожных потоков в системе моделирования движения ЭМ.

4.3. Формирование испытательного цикла.

4.4. Определение характеристик электромобиля с АБ различного типа.

4.5. Оптимизация транспортной работы электромобиля.

Выводы по главе 4.

Автомобиль является источником выделения около 200 различных газов и химических соединений, ухудшающих экологическое состояние окружающей среды. Рост объемов производства и парка автомобилей в мире, приводит к увеличению эмиссии отработавших газов, главным образом, в крупных городах. Кроме того, автомобили являются одним из основных потребителей углеводородного топлива, запасы сырья для изготовления которого ограничены. Ужесточение экологических требований к автомобилям, сопровождаемое ростом цен на углеводородное топливо, активизировало работы по созданию альтернативных видов транспорта, в том числе электромобилей (ЭМ).

В настоящее время крупнейшие производители автомобилей (General Motors, Ford, Daimler-Chrysler, Toyota, Honda, Nissan, Mazda и др.) ведут интенсивные работы по проектированию и производству электромобилей. По таким характеристикам, как запас хода и грузоподъёмность, некоторые современные модели электромобилей вплотную приближаются к традиционным автомобилям, однако основным недостатком ЭМ является их высокая стоимость.

Характеристики ЭМ и. его стоимость в значительной степени определяются параметрами используемой энергетической установки и, в частности, аккумуляторной батареи (АБ). Для оптимизации параметров энергетической установки, расчёта характеристик электромобиля и определения его эффективности в сравнении с традиционным автомобилем основными инструментами являются математическое и имитационное моделирование.

Наиболее сложной задачей при построении модели электромобиля является моделирование работы АБ при её нестационарном разряде и заряде на электромобиле.

Расчетное определение параметров АБ также используется на борту ЭМ для обеспечения оптимальных условий её работы, контроля степени заряженности, предотвращение перезаряда . и чрезмерного разряда; обеспечение безопасности эксплуатации АБ и др.

Диссертация посвящена разработке моделей нестационарных режимов работы аккумуляторной батареи электромобиля, что представляется; весьма актуальным в настоящее время.

Целью настоящей работы является создание, обобщенной имитационной модели движения электромобиля; и выбор характеристик АБ под заданные режимы движения электромобиля:

В соответствии с поставленной в диссертации целью:решаются задачи:

• анализ, и систематизация методов- и моделей, расчета характеристик АБ; .

• формализация методики обработки и» анализа статистических данных и имитационных экспериментов по анализу характеристик разряда;,

• разработка имитационной модели, нестационарного движения электромобиля;

• разработка методики интеграции.разнородных компонентов ЭМ;

• программная реализация имитационной модели ЭМ;

• • постановка и решение задач оптимизации на имитационной модели: Научную новизну работы: составляют методы и модели нестационарных режимов работы АБ электромобиля. На защиту выносятся:

• агрегированное процессное представление имитационной модели нестационарного движения ЭМ; ,

• модели нестационарных случайных процессов динамики движения ЭМ и заряда/разряда АБ; модели классификации, типов. АБ и задачи выбора типов для заданных характеристик движения ЭМ;

• программная реализация имитационной модели ЭМ;

• алгоритмы оптимизации на имитационной модели ЭМ.

Диссертация состоит из четырех глав, в которых приводится решение поставленных задач.

В первой главе диссертации определены основные характеристики современных АБ. Проведена классификация известных методов расчета характеристик АБ и дана оценка возможности их применения при моделировании нестационарного нагружения.

Характеристики ЭМ в основном определяются показателями бортовых источников электрической энергии. В составе энергетических установок электромобилей наибольшее распространение получили свинцово-кислотные (PbAcid), никель-кадмиевые (Ni-Cd), никель-металлогидридные (Ni-MH) АБ и батареи на основе лития (Li-Ion, Li-Metal, Li-Polimer).

Проведенный в работе анализ показал, что разделение методов моделирования работы АБ на описание процесса разряда и заряда весьма условно, поскольку большинство методов расчёта семейства разрядных кривых применимы и для описания временных зарядных характеристик.

Проведенные в диссертации исследования показали согласованность результатов имитационного и аналитического моделирования. Однако; необходимо учитывать, что значительную неточность может внести преобразование исходного графика нагрузки в интервалы с постоянным значением тока или мощности.

На основе проведенных в диссертации исследований для моделирования нестационарного нагружения АБ при различных режимах и условиях движения ЭМ предлагается использование гибридных аналитико-имитационных моделей на основе декомпозиционного подхода.

Во второй главе разработана обобщенная имитационная модель движения ЭМ в различных режимах. В работе ставится и решается задача формализации принципов построения имитационной модели ЭМ.

В качестве тягового электродвигателя ЭМ в работе рассматривался двигатель постоянного тока. При всех известных недостатках, двигатель постоянного тока позволяет регулировать частоту вращения в широких пределах наиболее простыми способами. Кроме того, используя двигатель независимого возбуждения, можно смоделировать множество рабочих характеристик различных типов, изменяя напряжение и задавая любые законы изменения тока возбуждения в функции тока якоря:

Конечной целью' разработки модели электромобиля является-определение его эксплуатационных показателей и характеристик АБ, в заданномфежиме движения. В качестве основных параметров-были приняты, следующие: пробег (запас хода); расход энергии при движении; расход энергии на единицу пути, и грузоподъёмности; удельная энергия, отданная батареей".

В третьей главе диссертацииt проведен анализ экспериментов и модельных данных на разработанной имитационной-, модели и решается задача выбора параметров АБ.

Для уточнения^ аналитико-имитационой> модели? нестационарного нагружения- аккумуляторной' батареи и с целью, изучения эффективности использования кратковременного-подзаряда АБ в течение рабочейхмены для-увеличения.пробега-, был проведен*эксперимент по испытанию батареи: 6ЭМ-. 145 по специальной программе. Эксперимент проводился, в- течение 2 месяцевна 2-х батареях 6ЭМ-145.

Проведенные имитационные эксперименты по оценке- характеристик движения электромобиля-показали, что нестационарный случайный процесс характеристик, хорошо аппроксимируется' процессом с гиперэкспоненциальной, автоковариационной функцией. Получены аналитические выражения для описания^ • характеристик условно-нестационарного, процесса.

В четвертой главе проведена- апробация разработанных методов и моделей. Рассчитаны эксплуатационные характеристики ЭМ$ на* базе автомобиля ГАЗ 2705 "Газель" с аккумуляторными батареями различного типа. При выборе размеров АБ, устанавливаемой на электромобиль, для оптимизации соотношения между грузоподъёмностью и пробегом электромобиля используют понятие транспортной работы. Для уточнения теоретического выражения транспортной работы на основании разработанной имитационной модели была проведена серия экспериментов по движению ЭМ. Масса установленной на ЭМ батареи изменялась с шагом 200 кг в теоретически возможных пределах. Расчёты были проведены для движения в цикла SAE j 227 С и для движения с постоянной скоростью.

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, определяется корректным использованием современных математических методов^ согласованным сравнительным анализом экспериментальных зависимостей и результатами имитационного эксперимента. Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными-результатами внедрения.

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования. Разработан программно-моделирующий комплекс, позволяющий в интерактивном режиме использовать оперативные данные о состоянии процессов для принятия решений по выбору характеристик АБ электромобиля. Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию и внедрены для практического применения в ряде предприятий, а также используются в учебном процессе* в МАДИ (ГТУ). Результаты внедрения и эксплуатации подтвердили работоспособность и эффективность разработанных методов.

Содержание разделов диссертации докладывалось и получило одобрение:

• на республиканских и межрегиональных научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах (2003-2009 гг.);

• на заседании- кафедры «Электротехника и электрооборудование» МАДЩГТУ).

Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований в области моделирования нестационарных режимов движения ЭМ составляет актуальное научное направление.

Материалы диссертации отражены в 6 печатных работах. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 147 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 21 таблицу, список литературы из 136 наименований и приложения.

Основные выводы и результаты работы

1. Проведена классификация и анализ известных методов расчета характеристик АБ. Дана оценка возможности их применения при моделировании нестационарного заряда и разряда АБ.

2. На основе проведенных в диссертации исследований для моделирования нестационарного нагружения АБ при различных режимах и условиях движения ЭМ предложено использование декомпозиционного подхода, который позволяет интегрировать гибридные аналитико-имитационные модели, включая модели механической- части, системы управления, режимов движения и другие.

3. В' работе поставлена и решена задача формализации принципов построения имитационной модели ЭМ с использованием процессного описания объектов и компонентов системы, позволяющая, имитировать нестационарные режимы движения ЭМ и их влияние на нестационарные характеристики нагружения АБ.

4. Проведен факторный анализ характеристик разгона, который показал, что уже три фактора объясняют 97% информации. Это позволило существенно сократить количество латентных факторов модели и тем самым размерность имитационной модели.

5. Разработана методика проведения эксперимента по сравнительному анализу характеристик разряда аккумуляторных батарей и проведены эксперименты. Полученные экспериментальные данные показали, что практически для всех зависимых переменных правомерно использование линейных моделей.

6. Проведенные имитационные эксперименты по оценке характеристик движения ЭМ показали, что нестационарный случайный процесс характеристик хорошо аппроксимируется процессом с гиперэкспоненциальной автоковариационной функцией. Получены аналитические выражения для описания характеристик условно-нестационарного процесса.

7. Для решения задач оптимизации на имитационной модели в качестве алгоритмов управления выбраны алгоритмы стохастической аппроксимации, которые обеспечивают высокую скорость сходимости в условиях больших дисперсий характеристик движения.

8. Разработан программно-моделирующий комплекс, который внедрен для практического применения в ряде предприятий, а также используется в учебном процессе в МАДИ(ГТУ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Агейкин Я. С. Вездеходные колесные и комбинированные движители. - М.: Машиностроение, 1972, - 184с.

2. Агейкин Я.С. Проходимость автомобилей. М.: Машиностроение, 1981.-232с.

3. Бабков В.Ф., Бируля А.К., Сиденко В.Н. Проходимость колесных машин по грунту. М.:Автотрансиздат, 1959.-189с.

4. Баловнев В.И. Вопросы подобия и физического моделирования землеройно-транспортных машин. М.: Строймаш, 1968. - 203 с.

5. Бируля A.M. Исследование взаимодействия колес с грунтом как основа оценки проходимости. ВКЛ.: Проблемы повышения проходимости колесных машин. - М.: Изд-во АН СССР. 1989. - с. 111 - 118.

6. Блудов С.А. Исследование сопротивления колесных тракторов перекатыванию. Минск: 1952

7. БобковВ.Ф., Бируля- А.К., Сиденко В.М. Проходимость колесных машин по грунту. М.: Автотрансиздат, 1959. - 189с.

8. Василенко М.М. К теории качения колеса со следом. -Сельхозмашины, 1990, N 9, с. 10 14.

9. Верников И.С. Зависимость осадки гусеничного трактора в грунт от скорости его движения. Автомобильная и тракторная промышленность, 1952, N6, с. 19-20.

10. Водяник И.И. Анализ взаимодействия движителя с грунтом с помощью механической модели. "Известие ВУЗов" Машин, 1986. N6.

11. Вольский С.Г., Безбородов Г.Б., Кошарный Н.Ф. Методика экспериментального исследования опорно-сцепных свойств колесных движителей при малых скоростях. Автомобильный транспорт, 1996, N3, с. 88 - 89.

12. Вонг Дж. Теория наземных транспортных средств: Пер. с англ./ Под ред. А.И. Аксенова М.: Машиностроение, 1982. - 285 с.

13. Герсеванов Н.М. Основы динамики грунтовой массы. ОНТИ, 1937.

14. Горячкин В.П. Теория колеса. Собр. соч. в 3-х т. - М.: Колос, 1988.-т. 2. 720 с.

15. Гребенщиков В.А. Исследование сопротивления: автомобилей. -"Автом. промышленности". 1955 N12.

16. Гребенщиков В.И. Исследование сопротивления движению автомобиля. Автомобильная и транспортная промышленность, 1955; N 12, с. 1-4;

17. Динамика планетохода / Е.В. Авотин, И.С.Балховитинов, А.Л.Кемурджиан и др. М.: Наука, 1979. 438с.

18. Забавников Н.А., Наумов В.Н., Рождественский Ю.Л. и др. Определение сил и моментов для< случая взаимодействия, прямолинейно движущегося1 колеса с: деформируемым;, грунтом. Изв.ВУЗов. Машиностроение, 1975, N1, с.121-126.

19. Иоанесян А.В. Методы расчёта характеристик аккумуляторных батарей для электромобилей / Е.И.Сурин, А.В .Иоанесян // Материалы научно-методической и научно: исследовательской конференции МАДИ (ГТУ): —М., 2003. — С 29-36;

20. Иоанесян А.В. Методы определения окончания разряда и заряда аккумуляторной батареи на электромобиле / Иоанесян А.В. //

21. Электротехника и электрооборудование транспорта. — М.: 2006, №6 стр. 3437.

22. ИоанесянА.В. Основные параметры аккумуляторных батарей для электромобилей / А.В. Иоанесян // Методы и модели прикладной информатики: межвуз сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). -М., 2009. С.121-127.

23. ИоанесянА.В. Модель механической части электромобиля1 / А.В. Иоанесян // Методы и модели прикладной информатики: межвуз сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). М., 2009. - С.94-99.

24. Иоанесян А.В. обобщенная имитационная модель движения электромобиля / А.В. Иоанесян // Принципы построения и особенности использования мехатронных систем: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). М., 2009. -С.4-9.

25. ИоанесянА.В. Модели нестационарных процессов движения' электромобиля / А.В. Иоанесян // Принципы построения и особенности использования мехатронных систем: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). М., 2009. -С.4-9.t

26. Испытания АБ 6ЭМ-145 с целью определения коэффициентов поемкости и энергии при различных степенях загруженности и токах,с ИльигевскВНИПТИ 1987;t 28. K.Eberts. in Power Sources 2, D.H.Collins. Editor p.69, Pergamon Press,1. Oxford (1970);

27. Калужский Я.А. Измерение напряжений и деформаций при качении жесткого колеса.- Труды ХАДИ, 1953, Вып.14. Н/1529

28. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка; результатов наблюдений. М.: Наука, 1970. - 104 с.

29. Кнороз В.И., Петров И.П. Оценка проходимости колесных машин.-| Труды./ Научно авто-моторный институт. М.: НАМИ, 1973, N 142, с. 6676.

30. Кожарный Н.Ф. Технико-эксплуатационные свойства автомобилей высокой проходимости. -Киев,Вища школа, 1981.-208с.

31. Кошарный И.Ф. Технико-эксплуатационные свойства автомобилей высокой проходимости. Киев: Висша школа, 1981. - 208 с.

32. Лежнев Л.Ю. Улучшение топливно- экономических и экологических показателей ДВС в составе комбинированных энергетических установок автотранспортных средств. Дисс. на соиск. Ученой степени канд. техн. наук-М: НАМИ, (2005)- 134с;

33. Ляско М.И., Фубенчик Е.В. Влияние Lk/t и схемы подвескиопорных катков на распределение удельного давления.

34. Малышев М.В. О влиянии среднего главного напряжения, на прочность грунта и о поверхностях скольжения. Основания, фундаменты и механика грунтов, N4, 1963

35. Миленький Ю.Д. Экспериментальное исследование движения колес по грунту в широком диапазоне скоростей. Труды./ Рижского инженерно-авиационного училища. - Рига: РИАУ, 1958, N 49, с. 32 - 42.

36. Новацкий В.К. Волновые задачи теории пластичности: Пер. спольского/Под ред. Г.С. Шапиро М.: Мир, 1978. - 304 с.1

37. Полетаев А.Ф. Основы теории сопротивления качению и тягижесткого колеса по деформируемому основанию. М.: Машиностроение, 1971

38. Проблемы и методы обеспечения1 экологической безопасности автотранспортного комплекса Московского региона. Москва, (1998);

39. Развитие расчетных моделей определения сопротивлениядвижению / А.Ф.Батанов, Н.А.Забавников, А.В.Мирошниченко, В.Н.Наумов.- Труды МВТУ, 1984, с.130-153.

40. Рождественский Ю.Л. Анализ потерь энергии в металлоупругом колесе при качении по твердой поверхности. Труды МВТУ, 1979, N288, сЛ 8-35.

41. Рождественский Ю.Л., Машков К.Ю. Математическая модельiвзаимодействия упругого колеса с деформируемым грунтом в режиме бортового поворота.- Труды МВТУ, 1984, N411, с.85-108.i I \

42. Рождественский Ю.Л., Наумов В.Н. Математическая модель взаимодействия металоупругого колеса. Труды МВТУ, 1980, N339, с.84-111.

43. С. D. Parker. J. Power Sources. 100, 18 (2001);

44. Седов JI.И. Методы подобия и размерностей в механике. -М.:Наука, 1965.- 132с.

45. Скрипко Л. С. Исследование и выбор параметров комбинированной энергосистемы автомобиля: Дисс. на соиск. учёной степени канд. техн. наук. -М.: МАДИ, (2001);

46. Смирнов Г.А. Теория движения колесных машин. М.:

47. Машиностроение, 1981.- 271с.

48. Транспортные средства на высокоэластичных движителях/ Н.Ф.Бочаров, В.И.Гусева, В.М.Семенов и др. М.Машиностроение, 1974'. -208с.

49. Ульянов Н.А. Основы теории и расчета колесного движителя землеройных машин.- М.: Машгиз, 1962.-207с.

50. Флорин В.А. Основы механики грунтов.- Т71. М-Л, Госстройиздат, 1959.

51. Хархута Н.Я., Ивлев В.М. Реологические свойства грунтов. М.: Автотрансиздат, 1961.-63 с.

52. Цлаф Л.Я. Вариационное исчисление и интегральные уравнения. -М,:Наука,1986. 176с.

53. Чистов М.П. Исследование сопротивления качению при движении полноприводного автомобиля по деформируемым грунтам.- Дисс., Москва, 1971.

54. Шугуров С. Ю. Электромобиль с комбинированной энергоустановкой и накопителями энергии. Дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук М: МАДИ, (1999) -205с;56. 41 st Battery Symposium in Japan. Nov. 20-21 (2000);

55. A. Yoshino. Chem. Ind. 146, 870 (1995);

56. Advances in Lithium Ion Batteries, W. A. van Schalkwijk Editor, Klewer Academic, New York (2002);

57. Assur A. Locomotion over soft soil and snow.-SAE Preprint 1964, 13171 N762, p. 1-29.

58. Battery Council international web site, (2001);

59. BOSCH Automotive Handbook © Robert Bosch GmbH, 2002

60. Chapman P. JPL "A generic battery model for EV and HEV" Electric Vehicle Counsel EV EVPO1 1980 St. Louis Missouri May 20-20. Report 8051. (1980);

61. Chijiiwa K., Ogaki K. Sumposium. No 716, pp.29 to 32.

62. DaimlerChrysler EPIC Minivan Powered by Lithium-Ion Batteries. Otmar Bitsche, Gunter Gutmann, Albert Schmolz, Louis d'Ussel //EVS 18 Berlin, (2001);

63. Davis P.F., Dexter A.R. Two methods for describing shapes of soil particles. De. Note DN/ER/191/1162. nant. Inst, argic. Engng, Silsoe,1971

64. Dexter A.R., Tanner D.W. Penetration of spheres into soil. Rt 1: Measurements in the field and experemental results. Dep. Note DN/ER/198/1162,nant. Inst, agric. Engng, Silsoe, 1972

65. Dexter A.R., Tanner D.W. The flow of sand and clay around penetrating spheres. Dep. Note DN/ER/122/1162, nant. Inst, agric. Engng, Silsoe, 1971

66. Dexter A.R., Tanner D.W. The packing density of particles. Pt.2: Log-normal mixtures. Dep.Note DN/ER/127/162, nant. Inst, agric. Engng, Silsoe, 1971

67. E. Peled in Lithium Batteries. J. P. Gabano, Editor, p. 43, Academic Press, (1983);

68. Editors, ITE-JEC Press, Brunswick, OH (1995);

69. Editors, PV-27, p. 370, The Electrochemical Society Proceedings Series. Pennington, NJ(1994);

70. Electric and Hybrid vehicle technology international // UK, (1999);

71. Electrochim. Acta. .38, 1179 (1993);

72. Electrotechz, vol. 18 (1978);

73. Frank A.A. Om the Stability of an Algoritmie Biped Locomotion Machine. Journal of Terramechanics, 1971, Vol.8, No.l, pp.41 to 50.

74. G. Jemmi, B. Dilecce, D. Macerata, and P. Orena, J. Power Sources, 105,103 (2002);

75. G. R Blomgren. J. Power Sources. 82, 112. (1999);

76. G. Sandrock, in Hydrogen and Metal Hydride Butteries, P. D. Bennettand T.

77. H. Bode, K. Dehmelt, and J. Wine, Electrochem Acta 11, 1079 (1966);

78. Hybrid Vehicles, should we plug them to the grid or not? F. Badin, B. Jeanneret, R. Trigui, F. Harel // Electric Vehicle Symposium EVS 18 Berlin, 2001

79. Hovland H.j. Soil inertia in wheel-soil interaction. J. of Terramechanics, 1973, Vol.10, No 3, pp 47 to 65.

80. Hoxie E.A. Some discharge characteristics of lead- acid batteries, A TEE Transactions, vol. 73 part 2 (1954);

81. J. J Rerndek, Jr.G.S. Ghottiner and D. A. Seherson, Abstract 636, The Electrochemical Society Meeting Abstracts, Vol. 2000-1, Toronto. Ontario. Canada. May 14-18, (2000);

82. J. J. G. Willems, Philips J. Res, (1984),39 (Supplement 1);

83. J. McBreen, in Handbook of Battery Materials, J. O. Besenhard, Editor, p. 135,

84. J. R. Dahn, A. K. Sleigh. H. Shi, J. N. Reimers, Q. Zhong, and В. M.1. Way,

85. J.O. Besenhard and H.P. Fritz, J. Electroanal. Chem. 53, 329 (1974);

86. Janosi Z., Hanamoto B. The analitical determination of drawbew pull as a function of slip for trached vehicles in deformable soil. Pr. First Int. Conf. on Mechanics of Soil, pp. 707 to 727, Torino

87. Janosi Z., Hanamoto B. The analitical determination of drawbew pull as a function of slip for trached vehicles in deformable soil. Pr. First Int. Conf. on Mechanics of Soil, pp. 707 to 727, Torino

88. Johnson C.E., Mirphy G., Lovely W.G., Schafer R.L. Identifyingsoil dynamic parameters for soil-machine systems. Trans. ASAE 15(1) (1972)

89. KAZ" The super electric vehicle Hiroshi Shimizu, Kiyomoto Kawakami, Yuko Kakizaki, Shiro Matsugaura, Masahiro Ohnishi Dirk van Gogh, Justyn Norec and Lamberto Melotti // Electric Vehicle Symposium EVS 18 Berlin, 2001

90. K. Han, Y. Koishikawa, T. Aiba, and K. Hironaka, Abstract 3C12 in 41st Battery

91. K. Nakai, T. Aiba, K. Hironaka, T. Matsumura, and T. Horiba, Abstract 3C11, in

92. K. Padhi, C. Masquelier, and J. B. Goodenough. Prog. Batteries Battery Mater,16, 302 (1997);

93. Karafiath L.L., Nowatzki E.A. Soil Mechanics for Off-Road Vehicle Engeneering, Trans Tech. Publications, Switzerland, 1978, 50 lp.

94. Kimura, in Hydrogen and Metal Hydride Butteries P. D. Beimett and T. Sakai,

95. Koda Y., Odaki K. New pickups for measuring streeses in soil-machine interfaces and their application to the soil-vehicle systems. Komatare mfg. Co. Ltd., Tokyo, Japan

96. Lithium Ion Batteries, Fundamentals and Performance, M. Wakihara and1. O.

97. Lithium Ion Battery Technology, R. J. Brodd, H. M. Friend, and J. C. Nardi,

98. Luth H.J., Wismer R.D. Performance of plane soil cutting blades in sand. Trans. ASAE 14(2) 1971)

99. M. Ikoma, S. Hamada, M. Morishita, Y. Hoshina, H. Matsuda, K. Ohta, and T.

100. M. Oshitani, H7 Yufu, K. Takashima, S. Tauji, and Y. Matsumara, J. Etectrochem.

101. M. Winter and J. O. Besenhard. Electrochim. Acta. 45, 31 (1999);

102. Nichols M.L. The dynamic properties of soils. An explanation of the dynamic properties of soils by means of colloidal films, Agr. Engng 12(7) (1931)

103. Nowatzki E.A., Karafia L.L. General yield conditions in a plasticity analysis of soil-wheel interaction. J. of Terramechanics, 1974, Vol. 11, No 1, pp. 29 to 44.

104. Oicha, Pakdn Optimum size of bullock Cart Wheels.- J. of Agric.Eng.Research, 1968, Vol.13, N2.

105. Okafeco O. Instrementation for measuring medial and tangential strees beneeth rigid wheels. J. of Terramechanics, Vol. 2, No 3, 1965107. Pennington (1994);

106. Peugeot Talbot belgigue S.A. Direction de Finformation Rue de I'industrie, 22-1400 Nivelles, le 19 mai (1989);

107. Peukert W. "An equation for relating capacity to discharge rate",

108. R. J. Brodd and A. Kozawa, ITE Lett, 1 B91 (2000);

109. R. M. Dell and D. A. J. Rand, J. Power Sources. 100, 2 (2001);

110. Rula A.A., Nuttall C.J. Analysis of ground mobility models. WES, Vicksburg, 1971,p.238.

111. S. Okada, H. Arai, K. Asakura, Y. Sakurai, J. Yamaki, K. S. Nanjundaswamy, A.

112. S. R. Ovishinsky, M. A. Fetcenko, and J. Ross, Science, 260, 176 (1993);

113. Stephen W. Moore, Greg MacLean Control and Management Strategies for the Delphi High Power Lithium Battery. //EVS 18 Berlin, 2001;

114. Sakai, Editors, PV 94-27, p. 1, The Electrochemical Society Proceedings Series

115. Shephard C.M., 1. Design of primary and secondary cell. 2. An equation describing battery discharge. I of the Electrochem. Soc. 112 (1965) S 657-664;

116. Soc. Symp. Proc., 496, 40 (1998);

117. Stafford J.V., Tanner D.W. An investigation into the effect of speed on the draught vegmivements of a chisel tine. Proc. 7th Conf. Int. Soil Tillage Res. Organization, Uppsala, 1976, 40, 1.

118. T. Nagaura and K. Tazawa, Prog. Batteries Battery Mater. 10, 218 (1990);

119. Tsunckawa Mikio, Ueno Munetoshi. "Energy efficient electric vehicles" EVS 18'Berlin (2001);

120. Turnage G.W. Measuring soil propeties in vehicle mobility research, resistance of coarse grain soils to high speed penetration. USAE Waterways Experiment Stattion, Technical Report Nj. 3-652, Report 6,July (1974)

121. Turnage G.W. Tire selection and Performance Prediction for off-rand wheeled-vehicle operations. Proceedings of the fourth international conference of the international siciety for terrain vehicle systems, Vol. 1, Stockholm, Sweden, April (1972)

122. Turnage G.W., Freitag D7R7 Effects of cone velocity and size on soil penetration resistance, ASAE Paper No. 69-670, December (1969)

123. U.S. Department of Energy Collaborative R&D on Electric and Hybrid Electric Vehicle Energy Storage Technologies: Current Status and Future Directions EVS 20;

124. Vincent E. Pressure distribution on and'flow of sand past a rigid wheel. Proceeding First International Conference on the Mechanics of Soil Vehicle Systems, pp. 858 to 878, Torino, 1961

125. Von Theis-Uwe Eder, Cornelia Heber, Ulrich Hopfner and Christian voy Erprobung von electrofahrzeugen der neuesten Generation anf der Insel Rugeu. ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 99 (1997);

126. Wiley-VCH, New York (1999);

127. Wills B.M.D. International Conference of the International Society for Terrain-Vehicle Systems, 1966

128. Wismer R.D., Luth H.J. Off-road traction prediction for wheeled vehicles. Trans. ASAE 17(1) (1974)

129. Wismer R.D., Luth H.J. Performance of soil cutting blades in clay. Trans. ASAE 15(2) (1972)

130. Wismer R.D., Luth H.J. Rate effects in soil cutting. Siciety of automotive engeneers paper No. 71-0179, January (1971)

131. Wong Behaviov of soil beneath rigid wheels.- "Agric.En.Research", 1967-V12, N4, p.257-269.

132. Y.-L Jang, B. Huang, H. Wang, Y. M. Chiang, and D. K. Sadoway, Mater. Res.

133. Yamamoto, Editors, Wiley-VCH, New York (1998);