автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Оптимизация управления электромобилями малой грузоподъемности с приводами постоянного тока

МОСКОВСКИЙ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи Гурьянов Длитрий Иванович -—

ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯМИ МАЛОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ С ПРИВОДАМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1992

Работа выполнена в совместной научно-производственной лаборатории Волжского автозавода и Тольяттинского политехнического института (СНПЛ АвтоВАЗ-ТТШ) и на кафедре Электротехники Московского автомеханического института

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Петленко Б.И.

доктор технических наук, профессор Иванченко Г.Е. кандидат технических наук Фомин А.П.

Ведущая организация - Московский агрегатный завод "Дзержинец"

Защита состоится " 1992г. в "" час. на

заседании специализированного совета ВАК РФ К.053.30.08 при Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте по адресу: 125829, Москва, А-319, ГСП-47, Ленинградский просп., 64, ауд.,

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Отзывы в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направлять в адрес специализированного совета. Телефон для справок: 155-03-28.

' Автореферат разослан апреля 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук.

доцент _—_/7

Г.И. Асмолов

ОЗЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Ошт использования электромобилей в городских перевозках утвердил право этих перспективных транспортных средств на массовое внедрение. Общеизвестно, что для существенного увеличения их пробега необходимы как емкие аккумуляторы, так и эффективные тяговые электропривода. Актуальность вопросов управления энергопреобрязованиетл в тяговой системе электромобиля (ТСЗ) для оптимальной организации движения объясняется их значимостью и при создании, и при эксплуатации электромобиля.

В диссертации приведены результаты научно-исследовательских и хозяйственно-договорных работ, выполнении в совместной научно-производственной лаборатории Вольского автозавода я Тольяттинского политехнического института (СНПЛ АвтоВАЗ-ТПИ) на основании директивных деку?,тентов по развитию электромобилестроения.

Объектен исследовЕЕЗй являются городские электромобили малой грузоподъемности (ЭШГ) с приводом постоянного тока, в осноеео;; семейства ВАЗ, которые характеризуются грузоподъемностью 500 кг п применением двигателя независимого возбуждения (ДНВ), тяговой ек-ку?луляторной батареи (TAB) с никель-цинковыми элементами и бортового вентильного преобразователя (ВВП) на тиристорах.

Цэяь работа заключается в повышении техшжо-эксплуатационпш; показателей ЗМНГ созданием эффективных систем управления при комплексных исследованиях взаимосвязей и процессов в электромобиле.

Задачи исследований, соответствующие поставленной цели и решенные в диссертации:

1. Анализ тенденций развития и путей совершенствования 2'Л(Г и формирование критериев их оценка.

2. Разработка математических и имитационных моделей Э!."СГ, их систем (ТСЭ, СТПЭ) и подсистем (ТЗД, ВВП, ТАБ).

3. Оптимизация взаимосвязей и процессов в 3',"!Г.

4. Экспериментальные исследования ЭМУГ, их систем и подсистем и внедрение результатов исследований.

05-зе шищкз псслздозеепй заключается в системном сочетании двух известных принципов: разделения движений на быстрне и медленные и проектирования ТСЭ от ТЭД к ТАБ, развитого в диссертации до уровня "дорога-колеса-ТЭД-ВВП-ТАБ".

(Метода исследований. Закономерности энергопреобразоЕания в электромобиле получены методами теории цепей. Вариационные метод» использованы при анализе резотлов движения, методы традиционной оп-

тимизацки - при разработке алгоритмов управления, элементы дискретной математики - при решении слабоформализуемых задач разного характера: аппроксимационных, оптимизационных, математического и имитационного моделирования, автоматизации экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования ТСЭ проведены на специально разработанном для этой цели автоматизированном стендовом комплексе и в дорогных условиях созданных образцов электромобилей семейства ВАЗ.

Научная новизна работы:

1. Разработка системного подхода при создании электромобилей, базирующегося на выявлении взаимосвязей в них.

2. Формирование новой системы критериев оценки ЭММГ, наиболее полно учитывающей основные свойства электромобилей.

3. Аналитическое описание разнородных процессов в электромобиле, впервые полученное для ?1ектромобиля по принципу разделения движений.

4. Оптимизация совокупности установленных взаимосвязей в ЭШГ.

5. Расширение матрично-топологического метода для разработки обобщенной модели вентильных цепей и автоматизация ее исследований.

6. Создание имитационной модели электромобиля с разработкой пакета прикладных программ.

7. Аналитическое решение проблемы наиболее полного использования энергии ТАБ путем минимизации энергозатрат в ЭММГ.

8. Разработка новых алгоритмов управления ЭММГ на базе теоретических исследований по минимизации энергозатрат в электромобиле .

Практическая ценность. Законченность проведенных исследований по энергопреобразованию представлена инженерными методиками выбора массогабаритных показателей электромобиля и расчета оптимальных параметров ТСЭ, а разработанные алгоритмы управления ТЭД и БВП -конкретными техническими устройствами. Пакеты прикладных программ по автоматизированному анализу электромагнитных процессов в вентильных цепях, имитационному моделированию ТСЭ и автоматизации испытательных операций на стендовом комплексе позволяют оперативно организовать и выполнить требуемые исследования аналогичных тяговых систем. Данные исследования с разработанными автоматизированными системами исследований позволили создать семейство из восьми

моделей электромобилей ВАЗ с повышенными технико-эксплуатационным;', показателями.

Реализация работы. Основное теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы с общим экономическим эффектом 736 тыс. руб. внедрены на БАЗе при создании серии электромобилей, на Мопщом испытательном стенде ВЭИ и в ПО "Трансформатор" (г. Тольятти) при производстве энергооборудования линий передач постоянного тока и на предприятии п/я М 5644 (г. Саранск) при разработав электроприводов специального назначения.

Апробация рсботы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуядались

- на Всесоюзных конференциях: "Управление в механических системах" (г.Казань,1985г.), "Системные исследования и автоматизация в метрологическом обеспечении ИМС и управлении качеством" (г.Львов, 1980г.), "Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУ ТП" (г.Тула, 1987г.), мзквузовских - "Теория и метода расчета нелинейных электрических цепей и систем" (г.Тапкой?: IV - 1971г., V - 1975г.), научно-технических - "Применение преобразовательной техники в электроэнергетике, электроприводах и элек-гротехнологических установках" (г.Тольятти, 1984), "Пути эконоим и повышения эффективности использования электроэнергии в системах электроснабжения промышленности и транспорта* (г. Казань, 1984г.), "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (г.Иван0Е0, 1985г., 1990г.);

- на Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей" (г.Таллинн, 1986г.).

Публикация. По диссертационной работе опубликовано 50 печатных работ, в том числа оформлено девять научно-технических отчетов и шесть авторских свидетельств и получена два положительных. решения по заявкам на изобретения.

Структура и объел работа. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и прилогенпя. Содержит 122 с. машинописного текста, 51 рис., 13 таб., 27 с. списка литературы из 241 наименования, приложение на 112 е..

СОДЕКШШ РАБОТЫ

Во введении отражены актуальность выполненных исследований, основные научные результаты, полученные впервые и выносимые на за-

тту. Схемой функциональных связей охарактеризован системный подход, разработанный при создании ЭММГ Волжского автозавода.

В первой главе дан анализ тенденций развития электромобилей малой грузоподъемности, потребность в разработке которых подтверждается изучением среднесуточных пробегов автомобилей такой же грузоподъемности в Нидерландах, ФРГ, США, в Санкт-Петербурге и Москве.

В технологии электромобилестроения сформировались три направления: переоборудование автомобилей под тяговый электропривод, разработка новых кузовов к шасси серийных автомобилей и создание принципиально новых конструкций электромобилей. Усилен разработчиков электромобиля направлены на сохранений его грузоподъемности при снижении полной кассы. Например, в модели ВАЗ-2702 за счет применения алшиниевнх сплавов и пластьшссылри грузоподъемности * 500 кг удалось уменьшить полную массу до 1660 кг.

Совместная работа силовых агрегатов известных ТСЭ не обеспечивает режимов наивыгоднейшего преобразования энергии ТАЕ.

Аккумуляторы, пспользуемые для электроснабжения электромобилей (преимущественно свинцово-кислотные. никель-кэлезные и никель-цинковые ), характеризуется малой удельной энергоемкостью и изменяющимися в процессе работы внешними характеристиками. Эти недостатки проявляются как в соотношениях масс батареи, экипажа и перевозимого груза, так и в эксплуатационных показателях электромобиля.

Различные условия применения электромобиля и способы управления энергопреобразованием приводят к разнообразию реализаций ТСЭ. Е диссератции рассмотрены и систематизированы в виде классификационных схем компоновочные решения кинематической части, силовые цепи к процессы энергопреобразования в ТСЭ.

В настоящей работе рассмотрены и решены Еопросы управления энергопреобразованием как в ТСЭ в целом, так и в ее силовых агрегатах, с внедрением алгоритмов оптимизации управления электромобилями Вольского автозавода.

Для оценки свойств электромобилей потребовалось сформировать систему критериев. Наряду с известными введены некоторые новые показатели (факторы), характеризуйте функционально-конструктивные .свойства»эксплуатационно-энергетические качества электромобиля и эффективность его тяговой системы.

Ео второй главе исследованы взаимосвязи в ТСЭ. Учтены требования городского транспортного потока, ограничения по отдаваемым энергоемкости V и мощности Р„ ТАБ, а также изменения ее внешних

характеристик УЕ(1Б) б процессе эксплуатации. Многообразие ситуа-!{Ий, возникающих при движении электромобиля, рассмотрено совокупностью фаз разгона, установившегося движения, замедления (ЕНбега) и торможения. Введены основные параметры фаз движения: ускорение V, длительность t, скорость V и пройденный путь I, которые описаны для всех фаз решениями общих уравнений движения в дифференциальной форме, что позволило конкретизировать их до расчетных формул силы тяги Рк на ведущих колесах, подводимой к ним мощности Рк и энергии 1?к на перемещение электромобиля в зависимости от сил сопротивления Р£ (суммарной), Р (качения), (уклона дороги), (аэродинамической) и силы инерции Р .

Методические положения по формированию предельной тяговой характеристики электромобиля Рщ^и) увязывают задаваемые эксплуатационные показатели (массу электромобиля т0, минимальную иц;ш и максимальную 1>макс скорости, характерные преодолеваеше подъема {ном' £пг' {пр* запас хода 0 требуемой мощностью РБ>макс ТАБ при учете суммарной силы сопротивления движению Р^, и КПД т^ энер-гопресбразования в силовых агрегатах ТСЭ .

Предельная тяговая характеристика имеет вид:

- при известной мощности РБ макс батареи

*пр = РБ.ыакЛ/и;

- при заданных основных эксплуатационных показателях ЭММГ

% = + ^акс^мако7"'

где / - усредненный коэффициент сопротивления качению; кш = 0,5* * сх - коэффициент аэродинамического сопротивления; р

- плотность воздуха; Э - площадь миделева сечения электромобиля.

Суммарная сила сопротивления Рг, рассчитанная для уклонов с

д°р°га 'ном- {пг'£пр' 1=0- Емес" ' те с кривой Рпр(и) графически

отображают тяговый баланс Э?.!МГ в

отдельных точках (рис.1). р

„ л

Предельная тяговая характеристика Рцр(и) представляется В*

тремя характерными участками. _____

Линия АВ ограничивает тяговое ■ _Е; у

усилие на уровне Рмакс- Точка В 0 ^ном Упакс

определяет диапазон изменения Рис.1 Характеристики тягового скорости от нуля до граничной баланса электромобиля

скорости и , обеспечиваемой отбираемой от ТАБ мощностью. Линия DE ограничивает максимальную величину скорости имакс движения з^ект-ромоби."". Точка Б определяет граничное тягоЕое усилие. ?гр. Точка С используется для опреде- ления режима энергопреобразования, при котором выявляются перегрузочные (по температуре) свойства силовых агрегатов. Ее положение задается выбором номинальной скорости ипом. Вторая координата точ1си С характеризует силу F^, затрачиваемую на преодоление суммарной силы сопротивления движению электромобиля по подъему i .

Точка N на прямэ£ " = t> определяет номинальную силу тяги Уклон, для которого характеристика суммарной силы сопротивления двшонию F^iv) прохедит через дчнную точку, принимается за но-минальякй UH0M)- Полс-знио точки N как тошеи номинального тягового решала выбирается lis соображений придания электромобиле требуемых ди: омических свойств. По графику тягового баланса устанавливаются трзбуемые кратности максимальной скорости движения электромобиля Ку = иыжс/Угр и максимальной силы тяга = PUSiKAou- Этот график используется для получения предельной механической характеристики '1ЭД и характеристик L'c(u,t) его нагрузки.

Для реализации допустимых тягово-сксросткых регекмов электромобиля потребовалось установить связи меаду его эксплуатационными показателяш и величинами, описывающими свойства ТАБ. Средняя скорость v циклического двгтания и пробег L оказались основой иско-аналитических Еырахенкй, в которых используются величины, характеризующие ТАБ (энергоемкости 17, и емкости Q, Q0 начальные и отдаваемые в нагрузку, КЦЦ т|Б разряда, средняя величина разрядного напряжения иБ, максимально допустимый ток разряда 1Б макс» начальное значение удельной энергоемкости е0, параметры аппроксимации разрядш'х характеристик а, р ). Полученные выражения позволили оптимально исследовать массогабаритные показатели электромобиля, дать рекомендации по выбору массы батареи т^ и Еыразкть уравнение предельной тяговой характеристики через величины ТАБ:

Fnp = -Й^В-макс*7 +

где o=0,G...0,7; иг - грузоподъемность электромобиля.

Использование этого выражения позволяет описать предельную

механическую характеристику ¿'^(и) 1ЭД зависимостью

в jj

% = -Щ^Ч.иакс^1 + P^V

Совместный анализ законов электромеханического преобразования энергии в ДНВ и установленных аналитических связей меаду эксплуатационными показателями электромобиля и параметрами ТАБ привел к новым расчетным формулам для определения передаточного числа трансмиссии и , предельных значений величин, характеризующих работу

ТЭД (магнитного потока <Х> „„ и С> ,, тока I . скорости ш

макс №121 МШчС' м

момента *мдкс).

Номинальные значения этих величин I,

ном*

Ф ном'

определяются по соотношениям, полученным чз условий максимальных пробега и производительности электромобиля.

В третьей глаге сформулирована постановка общей задачи минимизации энергозатрат электромобиля с разделением на уровни конструктивной оптимизации, оптимального управления движением и оптимизации управления ТЭД и БВП.

Для фазы разгона получено общее ошсание уравнениями в системе "дорога-колеса-ТЭД-БВП-ТАБ" разнородных процессов, а именно: тяговой дпамики электромобиля, электромеханических процессов в ТЭД, электромагнитных - в БВП и электрохимических - в ТАБ. Решения их при заданных времени разгона {ри конечной скорости икон дают законы управления электромобилем по минимуму энергозатрат.

На рис. 2 ломаная линия ОАВСБ представляет собой траекторию оптимального разгона электромобиля по минимуму энергозатрат. Точка В расположена на граничной механической характеристике 0^(1'), соответствующей максимальным значениям напряге-1-1я якоря и мьлштного потока. Момент двигателя возрастает при разгоне,происходит по кривой АВ до скорости (од за вре?ля По-

ИмАГС

Рис.2. Характеристика разгона ТЭД

оле точки В разгон продолжается

по участку ВС до скорости икон за время = ~ при постоянной мощности путем регулирования магнитного потока ТЭД. В точке С система управления резко снижает момент ТЭД до величины момента сопротивления. При наступившем равенстве моментов ¡1 = Ыс ТЭД равномерно вращается с заданной скоростью ыкон (точка О).

На графике воспроизведена такта предельная тяговая х:; зктери-стика выраяапцая возможности наиболее быстрого разгона

ТЭД, но уже при повышенных затратах энергии.

Для ЭММГ с разными массами и одним и тем же коэффициентом аэродинамического сопротивления с = 0,45 были выполнены расчеты энергозатрат 5УК при постоянном п оптимальном ускорениях (табл.1).

Таблица I

Вариант Масса ЭММГ Ша. кг Затраты энергии 17к, кДж, при ускорении постоянном оптимальном

I 2000 2S9 169

П 1600 250 145

Ш 1200 184 114

Сравнение приведенных данных показывает преимущества разгона электромобиля с оптимальным ускорением перед равноускоренным.

Вариационным методом решена и задача возвращения максимально возможного количества гасимой кинетической энергии в ТАБ при рекуперативном торможении (рис.3). Торможение начинается со скорости шнач 110Д действием тормозного момента 11т и момента Ис при переключении двигателя из точки D в точку F. До точки G, находящейся на механической характеристике П^ (¿т) , выполняв тся условие

^мзкс" - UB > шзгр Т£ происходит заряд ТАБ допусткмым током Isap = const при рекуперации кинетической энергии за счет увеличения магнитного потока. В диапазоне скоростей О < ш < со^ ыогно рекуперировать в батареи остаток кинетической энергии, используя импульсно-данамический принцип тормоненкя.

Силовую цепь ТСЭ -ТАБ можно построить так, что диапазон игл-пульсно-динамического тормокения может быть сведен к минимуму, т.е. батарея на всем гптерва-те торможения будет заряжаться постоянным током, что обеспечивается устройством, предложенным для рекуперативного торможения транспортного средства ПО].

На графике приведены такие предельная характеристика 2?т пр(и)

Рис.3. Характеристика торможения ТЭД

и характеристика момента сопротивления М (ы) ТЭД.

3 связи с тем, что известные алгоритмы управления движением электромобиля характеризуются, в основном, жесткими структурными и схемными решениями, реализация оптимальных по энергозатратам динамических режимов затруднена. В диссертации исследован работоспособный гибкий алгоритм управления электромобилем по минимуму энергозатрат с соответствующим устройством, содержащим микропроцессор.

В четрертой главе общая задача минимизации энергозатрат электромобиля решена в части управления энергопреобразованием в ТСЭ.

Рациональные алгоритм! управления энэргопреобразованием в силовых агрегатах ТСЭ для реализации заданной тяговой характеристики Р(и) электромобиля заключаются в изменениях напряжения и якорной цепи ДНВ и его магнитного потока Ф при широтно-частотном регулировании (ШЧР), или в изменошмх тока I якоря и тока Гв возбуждения в релейном электроприводе. При таком взаимосвязанном управлении энергопреобразованием в силовых агрегатах можно реализовать двухзонный и смешанный способы регулирования.

Сравнительный анализ способов регулирования в зависимости от скорости ш выражен графиком изменения управлящих воздействий 13 и и и суммарных потерь мощности ЛР ТЭД (рис.4). Индекс "опт" относится к смешанному способу регу-

ДРкВтЛ

25

2.0

1.5

10

0.5

лирования. Снижение потерь при этом способе обеспечивается уменьшением тока его якорной цепи, что благоприятно отражается на работе ТАБ.

Исследования аналитических выражений для минимума потерь мощности в ТЭД по управляющим воздействиям дают описание регуляторов энергопреобразования в ТЭД. Результаты исследований для двух вариантов широтно-частотного регулирования (ШЧР)

^шш^-®) и ^мин«^ И ***

Рис.4. Сравнительный анализ двухзонного и смешанного способов регулирования

релейного регулятора

(РР)

АРШШ(1,1В) при учете потерь в стали и без него представлены в табл.2. С инженерной точки зре-

ння свойства регуляторов е обоих случаях у.ожно -.читать различающимися нсоущьственно.

Табпица 2

ЗогОн регулироэ_)ния Оптимальные значения рссупируса^х «оадействии

при учете потерь < стали без учето потерь • сгапи

ф , -,/р1тМ | я У к V р^ку'р^ и -М. +ш*ф„ о"7 кФ 0Г,Т опт

■ии'и в' _ кш Ри« ,, ^ ^„и^ и"«г II . М риы ,, Р1„и Кв

км 1 К>Я 1 Г Л' УЧр^У

^ 1 М ^ / м/и1 '««Г Ч^ри^т V ри / V. ' V Р'т/3ог,т V Р^

^мочение потерь дР : р ,/й 1

Для установившихся режимов поручено условие абсолютного минимума потерь мощности в двигателе:

Г/ Т + 2Е1 - и! - Ми = 0.

Ь п

Точность минимизации потерь при новом алгоритме управления энергопреобразованием достигается с помощью устройства по [8]. При этом предложено устройство, использующее дискретный способ измерения мощности на. валу ТЭД [7].

Дополнение рассмотренного закона управления условием ио1п т Е1 ~ Ии> - О решает задачу минимизации потерь в неустановившихся режимах не только в ТЭД, но и в питающих его лепях. Для реализации полученного алгоритма в [8] введены некоторые новые элементы.

Минимизацию потерь в питащих цепях ТЭД мсгло тякже осуществить, изменяя их структуру как при разгоне двигателя, так и при регулировании его углочой скорости. Для этого разработаны три технических решения, два из которых позволяют осуществлять как сту-

ПЕНчатсе, так и непрерывное i. меььни.я 1;а1гряке!ся якоря, что приводит к уменьшению коммутационные и пульса)донных потерь я силовы/ агрегатах ТСЭ (TAB, ВВП, ТЭД) [9,I4i. Суть третьего предложения заключается в том, что эти потери вообще исключаются, так как при ступенчатом изменение напряжения якоря одновременно происходит импульсное регулирование величины магнитнтх> потока б соответствии с нагрузкой на валу двигателя (II!.

В пятой главе общая задача минимизации энергозатрат электромобиля решена на уровне оптимизации управления ВВП.

Показан матрично-топологический подход в теоретических исследованиях вентильных цепей, введены новые определения и сформулированы теоремы, использованы минимальные логические функции для характеристики состояний вентилей. Дана обобщенная модель произвольной вентильной цепи в форме

Г и с [-л : А 7л СС 1 с 1 1 Г и 1 С Г В ! В 1 се | cd i " Е "

X. . ЛгС \~Аи_ X А + L О 1 X Е

I 1

е

и

Г

gc

ei

-С

-С

rl

Г и с "Ле

X Л I)

х[Е]

АК

= илк л \ = илк л

V I

лк^и у

Л Uy V г V Тлк

АК

Построение автоматизированной системы анализа электромагнитных процессов в цепях с полупроводниковыми г;рииорами заключается в разработке алгоритма автоматического формирования системы упаЕне-ний цепи по ее формализованному описанию, алгоритма контроля состояния полупроводниковых приборов и идентификации структуры цели, алгоритма автоматического синтеза расчетных схем замещения после коммутации любого вентиля, алгоритма воспроизведения рэсоты реальной системы управления, алгоритма расчета токов и напряжений в цепи. Математическим ашаратом является теория графов, дополненная определениями и теоремами, которые позволяют получать результата с эвристических позиций Езамен полного перебора возмокных состояний вентильных цепей, что ускоряет процессы ?.гапшнного анализа. Например, для графа, описывающего преобразователь с эбьда числом параметров З7, предложенный алгоритм требует в 0,5 раза меньше вычис-

OAS

лительных операций, чем прямой.

При выборе силовой схемы электромобилей семейства ВАЗ были исследованы характерные цепи и использованы экспертные оценки показателей работы ВВП. Для выбранной схемы ВВП разработаны способы энергетической оптимизации, при которых потери в преобразователе оказываются минимальными благодаря поддержанию оптимального количества энергии в коммутирующем контуре ограничением ее притока и отводом избытка (121.

Задержка включения основных тиристоров по отношению к включению зарядных тиристоров, обусловленная перезарядом коммутирующего конденсатора без притока энергии в контур, существенно уменьшает коммутационные потери энергии не только в ТАБ, но и в ВВП. На рис.5 даны зависимости оптимальной задержки i от ве-

зад

личины коммутируемого тока I нагрузки при различных добротнос-тях Q контура коммутации.

Результаты экспериментальных исследований энергетической эффективности разработанных способов структурной оптимизации импульсных ВВП с контролированием энергии в контуре коммутации (с дискретным законом регулирования - 2, с регулированием времени задержки - 4, с комбинированным способом регулирования -5) приведены в сравнении с известными (с ограничением энергии контура коммутации путем дроссельного сброса - 3 и без регулирования - 1),что иллюстрируется кривыми зависимостей потерь мощности АР от скважности 7 (рис.6).

Внедрение новых алгоритмов управления с минимизацией коммутационных потерь в ВВП увеличило пробег электромобилей семейства ВАЗ

100 150 200 250 i'fk

Рис.5. Оптимальные зависимости времени задержки

q1 0.2. 03 сл 05 0.6 0.7 0.8 Рис.6. Экспериментальные зависимости потерь мощности БВП

на 22,6%.

В приложении показано, каким образом проведена практическая проверка теоретических исследований процессов энсргопресбразг/вания и управления ими в ТСЭ ЗММГ.

Разработка электромобилей семейства ВАЗ выложена с автоматизацией конструкторских, исследовательских и экспериментальных работ. При внедрении АСУ стендовых исследований со специализированным экспериментальным комплексом С13] трудозатраты на снятие основных статических характеристик тягового электропривода уменьшились с 1780 до 17,5 чел/ч. Эффективность методов имитационного моделирования ТАБ, ВВП, ТЭД по программе Э!Ш и испытаний ТСЭ на автоматизированном комплексе позволила форсировать выпуск опытных образцов электромобилей и осуществить их ходовые испытания.

В процессе дорожных испытаний были определены основные технико-эксплуатационные показатели и принято ре- зние о напуске мелких партий электромобилей, которые в количество около 150 единиц были направлены для опытно-промышленной эксплуатации в города Москву, Сим^эрополь и Тольятти.

Оценка эффективности электромобилей как транспортных средств дана в предложной системе критериев. Они расчитавы и систематизированы по 3!.(НГ Италии, США, Японки и се?.;зйства ВАЗ. В качестве примеров приведены фупкциональгые связи факторов электромобилей

^тсэ^БГ^ (РИС-9)' ГД£3 SA =

W (Рис-7>- 'W'W (Рцс-8) и

а-

о& оз 10 и 1. г Рис.? . Зависимости фактора эффективности конструкции

1S00

- '• «о

1103

— i — 700

Зи

SAE I

ВтЧ

ТКМ

/ИТАЛИЯ ^

'США

I Г.СК.

t

___1 «*.

€аз "" с-

i-0 1.2 tA 1.8

Рис.8. Удельно-производительный расход энергии

(Пр + - фактор эффективности конструкции; 0Э = ~

фактор соответствия транспортного средства выбранному классу; ^ЗАЕ

= ш

'зав/"1.г ~ приведенный удельно-производительный расход энергии в городском режиме движения; т)тсэ = (т - Ьш )/т - фактор эф-

2тсэ 0.6

03 1.0 1.2 1Л 1-8'

Рис.3. Зависимости фактора эффективности ТСЭ

____1..

НСА

ПОСТОЯННАЯ <*£ОРОСТЫ ,' ---1----1-

— - . —*

^нсл ^ --

200

лсжа у ' :

С1ЧЛ /

- - •"••"?Ка"",~'"=

\го£одскаЯ Режим ¿ви&ы.чя

100 ¡50 20О6,вту/*г

Рис. 10. Ожидаемый запас хода электромобилей с перспективными Т.'Б 90-х годов

фективностз тяговой системы; где использованы следующие обозначения и формулы: Шр - масса перевозимого груза, ^ - масса ТАБ. пд -м»сса экипажа, тпол - полная масса электромобиля, т0 - средняя величина полной массы для рассматриваемых транспортных средств;

тЗАЕ = Ю/1ЗЛЕ-

Ю40 = Ю/140

^ЗЛБ = "з-'Е

и40>

где юзле и Ю4о ~ пряденные удельные расходы энергии в городском режиме при скорости 40 км/ч; ЬЗЛЕ к 140 - соответствующие запасы хода; V) - полный расход энергии ТАБ.

Приведенные графики характеризуют высокий технический уровень изделий Волжского автозавода.

Прогресс в развитии электромобилей существенно зависит от технического уровня ТАБ. Сведения о проведенных исследованиях и прогноз в этой области представлены диаграммой в осях "удельная энергоемкость е аккумулятора - запас хода Ь миниэлектрофургона второго поколения" (рис. 10).

Основные результаты ч вывода диссертации: I. Установлено на основании проведенного аналитического обзора и доказано опытом производства Э1оп1Г ВАЗ, что по сравнению с технологиями частичного и полного конвертирования серийных автомобилей в электромобили наиболее перспективной в электромобиле строе -нии является технология производства конструкций, обеспечивающих электромобилю наилучшие качества.Изучение процессов энергопреобра-

зования в силовых агрегатам ТСЭ пс дсс тигаемьм технике эксплуатационным показателем. ЭММГ свидетельствует в пользу применения комбинированного способа перед дискретным к квазинепрерывным.

2. Определены и использованы пути совершенствования функционально-конструктивных свойств (ФКС) и технико-эксплуатационных показателей (ТЭП) при сопоставлении ЭММГ США, Японии, Италии и ВАЗа по разработанной системе критериев их оценки, которвя устанавливает взаимосвязи мздцу ФКС и ТЭП электромобиля, повышающие его потребительские качества.

3. Развит известный принзщп проектирования тяговых систем электромобилей "от двигателя к батарее" до уровня "дорога-колеса-двигатель-преобразоЕзтель-батарея", что позволило разработать и применить при создании семейства ВАЗ методику пос-доения предельных тяговых характеристик электромобилей, отличашуюся от известных строгой детерминированностью и конкретностью.

4. Выявлена на основе полученного по принципу разделения движений аналитического описания разнородных процессов в электромобиле неизвестная ранее совокупность оптимальных взаимосвязей, которая обеспечивает его максимальный пробег и наибольшую производительность.

5. Предложен гибкий алгоритм управления движением ЗММГ, оптимизирующий силы тяга и торможения электромобиля по минимуму энергозатрат, благодаря постановке и решению вариационных задач, отли-чагщихся от известных заданием праметров фаз и характеристик силовик агрегатов ТСЭ.

6. Выведены оптимальные законы энергопреобразования в силовых агрегатах тяговой системы и предложены для современных методов импульсного регулирования новые эчгоритаы управления ТЭД, ВВП и ТСЗ по минимуму потерь, защищенные семью авторскими свидетельствами на изобретения и положительным решением по заявке

7. Расширен спределениями и теоремами матрично-тогюлогический метод и выведены минимальные логические функции для характеристики состояний вентилей, на базе которых разработаны обобщенная модель вентильных цепей и автоматиз1фоьанная система ее анализа.

S. Разработаны и экспериментально уточнены математические модели систем (ТСЭ и СТПЗ) и подсистем (ТЭД, ЕВП и ТАБ) электромобиля, на базе чего созданы программные модули имитационной модели, которая использовалась для исследования и совершенствования разрабатываемых ЗШГ семейства ВАЗ.

9. Подтверждена адекватность разработанных моделей электромобиля, его систем (ТСЭ и СТПЭ) и подсистем (ТЭД, БВП и ТАБ) и доказана достоверност1 толуч'чощх "еоретических результатов по оптимизации взаимосвязей и управлению ЭММГ разносторонними экспериментальными работами, как-то: автоматизированными исследованиями ТСЭ и его силовых агрегатов (ТЭД, БВП и ТАБ) на оригинальном стендовом комплексе, натурными испытаниями созданных образцов электромобилей семейства ВАЗ в дорожных условиях (на полигоне НАМИ и испытательном треке ВАЗа) и опытно-промышленной эксплуатацией в Тольятти, Москве, Запорожье и Симферополе.

10. Внедрены, с общим экономическим эффектом 736 тыс. рублей, результаты выполненных исследований на Волжском автозаводе при создании семейства электромобилей! и на предприятии п/я 5644 (г. Саранск) при разработке электроприводов специального назначения.

Основные положения диссертации опубликованы в 50 работах, в том числе:

1.Баландин Н.М., Гурьянов Д.И., Кирпичников В.М.

. Методы математического моделирования систем с управляемыми вентилями // Динамика систем управления. - "Штиинца". Кишинев : 19Т5. - С.39-59.

2.Гончаренко Р.Б., Гурьянов Д.И., Яшкин А.И. Методы преобразования дифференциальных уравнений вентильных преобразователей к виду, удобному для их численного интегрирования на ЭВМ// Сб. научн. тр. - Куйбышев: КУАИ.1976. - С.133-136.

3.Гурьянов Д.И. Применение переменных состояний к анализу процессов в вентильных цепях// Там же. - С. 114-119.

4.Гурьянов Д.И. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей в автономных электроприводах // Тез. докл. 3 Всес. науч.-техн. совещ. :Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей. Ч.З. - Таллинн: АН ЭССР, инст-т термоСизтси и электрофизики, 1986. -C.II0-II2.

5.Гурьянов Д.И. Статическая оптимизация массогабаритных характеристик э лектромобилей//Сб. научн. тр.-М.: МЭИ, 1987.-JS 136. -С.59-63.

6.Кирпичников В.М. .Дубровин М.А. .Гурьянов Д.И. Логико-цифровое моделирование мостового преобразователя //Сб. науч. тр. - Куйбышев: КУАИ.1976. - С.110-113.

7.А.с 1352259 СССР, Устройство для измерения мощности на залу /В.К.Шакурский, Д.И.Гурьянов С.Д.Усов,А.А.Михайлов: Опубл. Б.И. 1987, Л 42. -5с.

8.А.с. 1534725 СССР, Устройство для управления электроприводом постоянного тока по минимуму потерь/Д.И.Гурьянов, А.Н. Ионов, В.В.Кажанов, В.К.Шакурский: Опубл. Б.И. 1990, JS I.

9.А.с. 1534726 СССР, КИИ Электропривод постоянного тока/

A.II.Hohob, Д.И.Гурьянов, В.А.Денисов, В.В.Кашканов:Опубл. Б.И. 1990, Ä I.

10.А.с. 1585181 СССР, Устройство для рекуперативного торможения транспортного средства/А.Н.Ионов,Д.И.Гурьянов, В.А.Денисов,

B.В.Кашканов: Опубл. Б.И. 1990, J6 30.

11.А.с. 1617606 СССР, Электропривод постоянного тока /

A.Н.Ионов, Д.И.Гурьянов, В.А.Денисов, В.В.Кашканов: Опубл. Б.И. 1990, Г 48.

12.А.с. 1631684 СССР, Инвертор /В.М.Шатунов,Д.И.Гурьянов,

B.В.Кашканов, А.Д.Бесхмельнищш: Опубл. Б.И. 1991, ä 8.

13.Положительное решение от 25.10.91 по заявке M79266I от 19.02.90 "Устройство для испытания двигателей"/ А.Н. Ионов, Д.И. Гурьянов, А.Д. Бесхмельннцын, В.Н. Гориславец.

14.Положительное решение от 22.06.90г. по заявке J54752950 от 25.10.89 "Электропривод постоянного тока"/ А.Н. Ионов, Д.И. Гурьянов, С.Н.Гусева, В.Н. Гориславец.

Объем 1.0 иеч.л , ткрагс 100 экз. заказ .'5 1522 Отпечатано в ОИТД НГЦ АвтоВАЗ, г.Тольятти. Бесплатно. Подписано б печать 27.03.92