автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности тягово-транспортных средств при использовании накопителей энергии

На правах рукописи

005533506

Иванов Сергей Александрович

Повышение эффективности тягово-транспортных средств при использовании накопителей энергии

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ь СЕН/1)13

МОСКВА-2013

005533506

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» (ФГБОУ ВПО МГАУ).

Научный консультант Дидманидзе Отари Назирович

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАСХН

Официальные оппоненты: Девянин Сергей Николаевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Тракторы и автомобили» ФГБОУ ВПО МГАУ

Копылов Сергей Иванович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электрооборудование и автоматика» ФГБОУ ВПО РГАЗУ

Сильянов Валентин Васильевич

доктор технических наук, профессор, советник проректора по УМР ФГБОУ ВПО МАДГТУ

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский

институт механизации Россельхозакадемии РФ

Защита состоится 02 декабря 2013 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16-а, корпус 3, конференц-зал.

1 у

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ^ «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

Автореферат разослан 02 сентября 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета 3 А.С.Дорохов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение эффективности тягово-транспортных средств (TTC) и машинно-тракторных агрегатов (МТА) напрямую связано с эффективностью функционирования силового агрегата. Выполнение ездовых циклов движения, технологических и сельскохозяйственных операций связано с преодолением значительных нагрузок колебательного характера. Именно в этих, неустановившихся режимах происходит перерасход топлива и значительное количество вредных выбросов.

Одним из основных вариантов решения данной проблемы предлагается использование накопителей энергии в качестве компенсаторов динамической мощности, обеспечивающих стационарность функционирования двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Наибольшее распространение у производителей техники получили электрические накопители энергии - аккумуляторные батареи и суперконденсаторы, по причине лучших технико-экономических показателей по сравнению с маховичными, пневматическими, гидравлическими и сверхпроводниками.

В настоящее время существует более 10 типов только литиевых аккумуляторов, химический состав которых определяет для каждого свой, наиболее эффективный, режим работы: токи заряда/разряда, рабочий температурный диапазон, количество циклов заряда/разряда, удельные энергетические и мощностные показатели, стоимость.

В результате исследований установлено, что обоснование закономерностей функционирования различных типов накопителей электрической энергии в тягово-транспортных средствах и машинно-тракторных агрегатах, а также разработка методов оптимизации электрических накопителей энергии для различных типов тягово-транспортных средств и назначений является актуальной проблемой, позволяющей обеспечить рост эффективности производства, сокращение энергетических затрат и экологическую безопасность.

Цель работы - повышение эффективности тягово-транспортных средств использованием электрических накопителей энергии.

Научная концепция: разработка научных подходов к формированию условий функционирования сельскохозяйственных машин, агрегатов и других средств механизации технологических процессов в сельскохозяйственном производстве с применением электрических накопителей энергии. Разработка методов оптимизации электрических накопителей энергии и режимов работы тягово-транспортных средств по критериям эффективности и ресурсосбережения.

Объектами исследования являются процессы в машинно-тракторных агрегатах с накопителями электроэнергии, тягово-транспортные средства с накопителями электрической энергии, литиевые аккумуляторные батареи и суперконденсаторы.

Предметом исследования являются переходные процессы при эксплуатации различных машин и агрегатов по типу и назначению и, следовательно, определение эффективных режимов функционирования различных накопителей электрической энергии и определение требований к ним по обеспечению нормативного уровня экологической безопасности и требуемой стоимости владения.

Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решались с использованием методов исследования операций, методов теории электродинамического моделирования. Основные теоретические результаты сопоставлялись с данными экспериментальных исследований в реальных тягово-транспортных средствах с электрическими накопителями энергии.

Научная новизна заключается в обосновании закономерностей функционирования накопителей электрической энергии в тягово-транспортных средствах и машинно-тракторных агрегатах, позволяющих обеспечить рост эффективности производства, сокращение энергетических затрат и экологическую безопасность.

Практическая ценность работы:

определены тенденции развития TTC с накопителями энергии; представлены экологическая и экономическая составляющие при эксплуатации машин и агрегатов с накопителями энергии и электроприводом;

разработаны математические модели процессов функционирования накопителей энергии в гибридных и электрических машинах и агрегатов;

разработаны методы определения требуемых параметров накопителей энергии на базе суперконденсаторов и литий-ионных аккумуляторных батарей для различных режимов использования машин и агрегатов;

получены требуемые параметры электрических накопителей энергии для использования в TTC и МТА;

разработаны накопители электрической энергии на базе суперконденсаторов и литий-ионных аккумуляторных батарей для различных типов машин и агрегатов.

Реализация результатов работы. Предложенные методики определения требуемой энергоемкости накопителей энергии на базе суперконденсаторов и литий-ионных аккумуляторных батарей для различных режимов использования на TTC и МТА, а также методология определения оптимальных параметров электрических накопителей энергии для использования в TTC и МТА используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» при подготовке магистров по направлению «Эксплуатация автомобильного транспорта», а также приняты к реализации в ОАО «КамАЗ», ОАО «Кировский завод», ОАО «ГАЗ», ОАО «АВТОВАЗ», ООО «ТРОЛЗА», ОАО «НЕФАЗ». Результаты работы внедрены в ОАО «КамАЗ» и в ЗАО «Петербургский тракторный завод».

Конкретные положения диссертационной работы нашли применение в опытно-конструкторских разработках, выполнявшихся в университете в рамках совместной работы с ОАО «КамАЗ».

Апробация работы. Основные результаты исследований представлены на Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в сельском хозяйстве» (ФГОУ ВПО МГАУ, 20-22 ноября 2007 года), Международной научно-практической конференции «Научные проблемы развития автомобильного транспорта» (ФГОУ ВПО МГАУ, 2-4 апреля 2008 года), Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития агропромышленного комплекса России» (ФГОУ ВПО МГАУ, 20-22 ноября 2008 года), Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в образовании и науке» (ФГОУ ВПО МГАУ, 2930 января 2009 года), Международной научно-практической конференции «Научные проблемы эффективного использования тягово-транспортных средств в сельском хозяйстве» (ФГОУ ВПО МГАУ, 12-13 мая 2011 года), Международной научно-практической конференции «Научные проблемы эффективного использования тягово-транспортных средств в сельском хозяйстве» (ФГБОУ ВПО МГАУ, 20-22 февраля 2012 года), а также на заседаниях кафедры «Автомобильный транспорт» в 2007-2012 годах.

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 36 работ, в том числе 14 в научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертаций, 3 монографии, 9 патентов на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы, изложена на 310 страницах машинописного текста, включая 108 рисунков, 25 таблиц и библиографический список из 220 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена актуальность темы, основанная на перспективах автомобильного транспорта, в том числе в сегменте, используемом в сельском хозяйстве, приведены последствия негативного воздействия транспортного комплекса на окружающую среду, а также доказана низкая эффективность использования энергии ископаемого топлива от добычи до получения механической энергии на колесе в традиционных тягово-транспортных средствах, изложены положения, выносимые на защиту.

В главе 1 «Состояние проблемы, цель и задачи исследования» проведен обзор литературных источников. Установлено, что в качестве альтернативного варианта с целью улучшения экологических качеств, уменьшения расхода топлива, повышения безопасности и энерговооруженности широкое применение получили электроприводы и электрические накопители энергии.

Электропривод и электрические накопители энергии, с одной стороны, наиболее эффективно компенсируют динамические нагрузки, возникающие при выполнении ездовых циклов во время разгона и технологических операций, а с другой - накапливают энергию при рекуперативном торможении. Работа же ДВС в этих режимах наименее эффективна. Вместе с тем эксплуатация чистого электромобиля на аккумуляторных батареях обходится в несколько раз

дешевле, чем традиционного автомобиля с ДВС. Это обусловлено, в первую очередь, более эффективной передачей электрической энергии от места генерации (электростанции) к месту использования - транспортному средству и ведущим колесам (рисунок 1).

АвтомобллЛ с ДВС J

ЭлектроМОбИЛЬ і

510-950 Вт-ч/км

145-270 г/км СО

КПД

340 Вт-ч/км (газ) 570 Втч/км (угопь) 6§ г/км С02 (газ) 135 Г/КМ С02 (уголь)

150 Вт-ч/км

20-35% 16-29%

85-85% 40-60% 90%

Энергия до бензобака

150 Вт-ч/км

85% 26-4354

Энергия от бензобака до колес

Рисунок 1 - Эффективность расхода энергии

Учитывая это, в настоящее время, активно ведутся роботы по использованию электрической трансмиссии и накопителей электрической энергии в МТА ведущими зарубежными производителями, например, John Deere, CLAAS, Fiat и др. В частности, созданная ассоциация производителей комплектующих для МТА с электрической трансмиссией «Сельскохозяйственная электрическая промышленность» - AEF вырабатывает единые стандарты коммуникации между узлами и агрегатами, а также параметры силовых шин и приводов.

Таким образом, с полной уверенностью можно утверждать, что исследования в области создания эффективных тягово-транспортных средств с энергоустановками на основе накопителей энергии и электропривода являются наиболее востребованными и актуальными.

Этот тезис подтверждают и отечественные проекты, такие как технологические платформы «Зеленый автомобиль» и «Инновационная дорога», а также федеральный проект «Электрический транспорт».

На рисунке 2 показано, что наиболее востребованным компонентом гибридных TTC и электромобилей является АБ, на разработку которой выделяются наибольшие инвестиции - около 80 % от общего объема.

Мировой рынок 2020 г. (в милл иардах евро)

Стандартные компонен-

Новые компоненты

Двигатель внутреннего сгорания -13,3 H

Коробка передач 11.2

Выхлопная система -1.1 1

Топливный бак -0,6 1

Аккумуляторные батареи Электромотор 47,5

ШШ16'2

Силовая электроника Кабели Другое Итого 14,5 Ш3.5 |1-8 ШЯ59.7

= 75

млрд.

евро

Рисунок 2 - Объем инвестиций в разработку стандартных и новых компонентов тягово-транспортных средств

Какой тип энергоустановки наиболее целесообразно использовать на конкретном виде тягово-транспортных средств и какой накопитель будет удовлетворять всем требованиям - главные вопросы, на которые пытаются ответить ученые и производители техники.

Ответ на данные вопросы лежит в изучении режимов движения тягово-транспортных средств, работы ДВС и характеристик накопителей.

Важный вклад в развитие научной базы исследования работы ДВС в МТА при неустановившейся нагрузке внесли академики В.Н. Болтинский, М.Н. Ерохин, доктор наук Г.М. Кутьков, в создание мобильных энергетических средств академики И.П. Ксеневич, Д.С. Стребков, доктора наук A.M. Иванов, И.П. Копылов, а в развитие научной базы технической эксплуатации и механизации, создание тягово-транспортных средств с альтернативными видами топлива внесли доктора наук В.Н. Власов, О.Н. Дидманидзе, A.A. Зангиев, С.Н. Девянин, Б.С. Клейнер, Е.С. Кузнецов, В.М. Михлин, Е.А. Пучин, А.Э. Северный, М.А. Халфин, В.И. Черноиванов. Фундаментальные исследования по разработке конструкций, методических положений, рекомендаций и нормативов по повышению эффективности использования мобильных электроагрегатов, их обслуживанию в условиях предприятий технического сервиса выполнены научно-исследовательскими организациями ФГУП НПП «Квант», МНПО «Эконд», НАМИ, МВТУ им. Н.Э. Баумана, МЭИ (ТУ), ГОСНИТИ. ГНУ ВИМ, ВИЭСХ, ВИИТиН, ВНИИМС, ФГБОУ ВПО МГАУ, МАДГТУ (МАДИ) и др.

Анализ результатов этих исследований показал, что в настоящее время отсутствуют общие комплексные разработки по обоснованию эффективных областей использования электрических накопителей энергии для TTC и МТА и определение требований к ним. Исходя из этого были сформулированы следующие основные задачи исследования:

1. Провести анализ научных предпосылок и тенденций развития машин и агрегатов с тяговым электроприводом и накопителями электрической энергии.

2. Разработать методы повышения эффективности функционирования машин и агрегатов, а также определить экологическую и экономическую составляющие при использовании накопителей энергии.

3. Сформировать требования к накопителям энергии и определить показатели их эффективности в процессе функционирования машин и агрегатов.

4. Разработать математическую модель функционирования в тягово-транспортных и машинно-тракторных агрегатах электрических накопителей энергии на базе суперконденсаторов и литий-ионных аккумуляторных батарей.

5. Определить требуемые параметры аккумуляторных батарей и суперконденсаторов при использовании в различных типах тягово-транспортных и машинно-тракторных агрегатах с тяговым электроприводом.

6. Разработать и создать различные типы тягово-транспортных и машинно-тракторных агрегатов с накопителями энергии на базе суперконденсаторов и литий-ионных аккумуляторных батарей и оценить их экономическую эффективность функционирования.

7. Экспериментально исследовать тягово-транспортные и машинно-тракторные агрегаты с тяговым электроприводом и накопителями электрической энергии и подтвердить адекватность разработанных математических моделей.

Глава 2 «Исследование условий функционирования машин и агрегатов и определение показателей эффективности накопителей электрической энергии». Активное использование накопителей электрической энергии в гибридных TTC при разгонах и торможениях с целью повышения топливной и экологической составляющих наиболее эффективным образом оправдывает себя при эксплуатации TTC в городских пробках, т. е. при выполнении частых разгонов и торможений.

Вместе с этим существует класс тягово-транспортных средств, который в силу особенностей режимов работы, главным образом из-за низких скоростей движения при выполнении технологических операций, имеет низкую эффективность использования подобных схемных технологий.

Выполнение операций сопряжено с колебанием нагрузки на ДВС в довольно широком диапазоне. Профиль нагрузки можно выразить в виде синусоиды. Природа возникновения колебаний обусловлена неровностью почвы, неоднородностью, разной влажностью и плотностью, которые влияют на амплитуду нагрузки и период колебаний. Величина нагрузки напрямую связана со скоростью и видом выполнения операций.

Одновременно с этим при использовании электрических накопителей энергии в МТА становится возможной организация электрического привода исполнительных органов и механизмов, что позволит повысить коэффициент полезного действия передачи мощности к исполнительным органам, а также исключить использование гидросистемы для привода навесного оборудования как потенциального источника загрязнений окружающей среды.

Области использования электрического привода в машинно-тракторном агрегате с накопителем энергии представлены на рисунке 3.

ф

тС - микропроцессорный блок управления М - мотор электрический Є - генератор

= - силовая электрическая сеть = - информационная сеть

Рисунок 3 - Области использования электрического привода в машинно-тракторном агрегате с накопителем энергии

Большая часть работ, выполняемых МТА, приходятся на пахоту, как наиболее трудоемкую операцию, составляющую значительный объём от всех других видов работ. Поэтому при исследовании работы накопителя энергии в неустановившемся режиме исходили из тех специфических условий, которые имеют при выполнении именно этой трудоемкой операции, то есть пахоты.

Причины, характер изменения момента сопротивления для работы с плугом и большой степени может распространяться и на работы с другими орудиями.

Академик В.П. Горячкин, выделив главнейшие причины, влияющие на величину тягового сопротивления плуга, создал рациональную формулу, теоретическое значение которой в качестве общего закона может распространяться помимо плугов и на другие машины и орудия. Формула В.П. Горячкина в общем виде пишется так: Ркр=Спл/+КпаЬ + ЕаЬУ2 (1)

Рабочее сопротивление плуга, как видно из этой формулы, состоит из: <5плу_ сопротивления трения при передвижении плуга, здесь - вес плуга;/- коэффициент, учитывающий сопротивление перекатывания плуга в борозде; К„ а Ь - сопротивления почвы деформации при пахоте, здесь К„ -коэффициент сопротивления почвы при деформации, аЬ - сечение пласта; ЕаЬУ2 - сопротивления, возникающего в результате сообщения кинетической энергии частицы массы пласта при отбрасывании их в сторону, здесь Е -коэффициент пропорциональности, V- скорость движения.

Величина Лф во время работы изменяется в следствии непостоянства составляющих её отдельных компонентов в широких пределах. Так, например, величина коэффициента/ равная от 0,25 до 0,4, зависит от состава и влажности почвы; коэффициент К„ зависит от сечения пласта, угла резания, числа корпусов и глубины пахоты и изменяется от 2000 до 10000 кг/м2; коэффициент

Е зависит от свойств и влажности почвы, а также от профиля рабочей поверхности плуга.

Наконец, колебание угловой скорости двигателя ведет к изменению Р,ф. Обычно на основании опытных данных величину Е принимают равной ОДкПа. Тогда (1) можно переписать так:

Лф=Спл/+ КпаЬ(1 +0,1V2) (2)

При одновременном воздействии всех факторов, от которых зависят величины компонентов Р,ф в уравнении (2) сила сопротивления плуга в целом меняется саамам различным образом.

Одним из первых показателей, характеризующих изменение момента сопротивления, является степень неравномерности, которая выражается коэффициентом ô, которая при пахоте может достигать величины 0,25...0,3.

Вторым показателем является период изменения, характеризующий изменение данного компонента момента сопротивления. Чем больше период, т.е. чем больше по времени нарастание момента сопротивления, тем значительнее влияние этого нарастания на работу двигателя.

На основании диаграмм динамометрирования установлено, что период изменения силы сопротивления плугов изменяется в широких пределах, от 0,2 до 2 секунд.

Кроме периодических колебаний величины момента сопротивления, характеризуемых значениями б и периодом, иногда наблюдаются продолжительные (измеряемые десятками секунд, а иногда и минутами) отклонения момента от средней его величины.

Агрегатирование, выбор коэффициента перегрузки двигателя во многом зависит от этого увеличения момента сопротивления.

Таким образом, основными показателями, определяющими характер изменения момента сопротивления прицепной машины являются - 5, период колебаний и скорость движения.

С использованием данных показателей была построена имитационная модель накопителем электрической энергии гибридного МТА, которая представлена на рисунке 4. В результате моделирования на основе изучения режимов движения TTC составлена квалификационная карта ранжирования по типам и назначению накопителей электрической энергии, а также ранжированы литиевые аккумуляторные элементы в зависимости от используемой технологии. На рисунке 5 определены области гибридных и электрических TTC с наиболее оптимальными для использования типами накопителей входящими в эти области. На рисунке 6 отражены эксплуатационные свойства, стоимость и плотность энергии всех литиевых аккумуляторов доступных для использования в гибридных и электрических TTC.

Рисунок 4 - Имитационная модель накопителя электрической энергии гибридного машинно-тракторного агрегата

Супер-

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

5 Удельная энергия (Вт ч/кг) на уровне элементов

Рисунок 5 - Квалификационная карта Рисунок 6 - Эффективные области ранжирования по типам и назначению использования электрических накопителей электрической энергии накопителей энергии

Требования к накопителю энергии для МТА зависят от многих факторов. Они включают конфигурацию мощности нагрузки, характеристики накопителя энергии, требуемую эффективность, долговечность конструкции и параметры воздействия ожидаемой рабочей среды. Одним из главных подходов к спецификации накопителей энергии является использование гипотетической временной зависимости потребляемой мощности и внутреннего сопротивления.

50.20 50,60 51.00 Стояиость (5<Вт-ч)

2015 200 От ч/кг и >.р |с! мр чем 500 ТН [■-

Этот подход и был использован для определения требований к накопителю энергии. Исследование мощностных показателей накопителей энергии в режимах заряда/разряда при различных климатических условиях поможет определить важные параметры накопителя энергии для КЭУ.

Установлено, что максимальная энергетическая эффективность электрических накопителей энергии реализуется при максимальной рекуперативной мощности и низшем внутреннем сопротивлении (рисунок 7).

2. Меньшие потери при низшем внутренним сопротивлении

є

1. Высокая мощность

при рекуперативном торможении

Заряд

Торможение

Разгон

Разряд

-40 -20 О 20 40 60 Температура, °С

Частота, Гц

Рисунок 7 - Параметры энергетической эффективности

Зависимость между числом циклов и ДЗОС

120

•LI-F

2/8 %

315 98

LTO: 90%

LFP ЕХІ : 60%

Н-' сХ

.'10 .

1000 2000 3000 4000

Количество циклов

ASÛC: 90% S,000 циклов

4,000 циклов LTO

ЛЮС 60% "

4,000 ЦИКЛОВ

20 40 60 80

Глубина разряда, %

1,500 ЦИКЛОВ 100

Рисунок 8 - Параметры энергоемкости за весь срок службы аккумулятора

Установлено, что аккумуляторы с наибольшим коэффициентом доступной энергии и большим количеством циклов заряда/разряда сохранят значительно больше энергии за весь срок службы (рисунок 8).

Следовательно, самый «быстрый» аккумулятор обладает более оптимальными техническими характеристиками, потому что имеет большую эффективность использования энергии.

Важным является контроль тепловыделения. Более «быстрый» аккумулятор создает меньше проблем, потому что его внутренние энергетические потери меньше. Следовательно, это потребует меньшего по размерам оборудования по контролю тепловыделения и уменьшит габариты

всей системы в целом.

Исходя из этого, оптимальный аккумулятор не должен обладать наибольшей удельной энергоемкостью. Выходная мощность сильно влияет на технические характеристики системы.

Аккумуляторные батареи, имеющие большие временные постоянные, обеспечивают меньшие области эффективного напряжения и большие внутренние энергетические потери. В таких случаях величина емкости может быть увеличенной, чтобы удовлетворять специфической временной диаграмме мощности при приемлемом коэффициенте полезного действия во время цикла.

Глава 3 «Теоретические исследования функционирования накопителей энергии в различных режимах использования машин и агрегатов»

Функционирование исполнительных устройств как правило рассматривается в предположении постоянства выходной величины источника энергии, что упрощает анализ решаемых задач и дает возможность использовать для этого линейные уравнения. Следует отметить, что нестационарные явления взаимодействия исполнительных устройств с источником энергии наблюдаются при функционировании многих динамических систем различного назначения. Данные работы тесно связаны с исследованием разнообразных внутренних динамических процессов в источнике энергии, и их рассмотрение предполагает углубление в специальные области техники. Наиболее подробно разработаны и исследованы модели взаимодействия колебательных систем с источниками ограниченной мощности, для описания которых могут быть использованы статические характеристики источников энергии. При этом в переходных процессах в энергетической установке МТА наблюдается изменение Л<ы„ерав выходной величины (рисунок 9) из области номинального режима работы.

Величина Дюзаб равна разности мгновенного наибольшего отклонения выходной величины в переходном процессе от значения выходной величины предыдущего установившегося режима работы, то есть сумм статического и динамического отклонений от предыдущего установившегося режима работы. При превышении величины Аюзаб некоторого предельного значения в системе энергообеспечения появляется недостаток или избыток энергии и вырабатываемой первичным источником энергии, соответственно увеличение удельного расхода топлива g.

Рисунок 9. Изменение частоты вращения энергетической установки в переходном процессе

В общем случае взаимодействие источника энергии и механической системы с и степенями свободы описывается уравнениями:

XtOWt + + ¿Wt) =Л(со, а), со, уиУиУь--■ Уп, Уп, Уп)

М<Ь = М(со, (Ь) - M(d>) +f(co, со, со, уи уи уи... уп, уп, уп) (3)

(p,t = l, 2...п)

где у, - обобщенная координата; ср - угловая координата; трь kpt, bpt -соответственно массы, коэффициенты демпфирования и жесткости; М -суммарный момент вращающихся масс; М(со, со) - движущий момент двигателя, определяемый его нагрузочной характеристикой; М(&) - момент сил сопротивления вращению; fv(...) - функция, в состав которого входят члены, характеризующие воздействие источника энергии на систему; f(...) - функция, отражающие ответное воздействие системы на источник энергии.

Первое из (3) описывает движение системы, второе процессы протекающие в источнике энергии.

При этом, необходимо отметить, что непосредственное включение в уравнения (3) функции М(со, со) может оказаться неоправданным. Для многих реальных источников энергии конкретный вид функции связан с определенным характером движения, с изменением характера движения может изменяться и М(со, со). Строго говоря, вместо М(со, со) необходимо ввести другие функции и, возможно составить дополнительные уравнения, которые описывают внутренние динамические процессы в источнике энергии.

Такой путь рассмотрения задач неизбежно связан с общим усложнением задачи и углублением в специальные области.

При этом задача анализа сводится к нахождению статической нагрузочной характеристики М(со, со) источника энергии, функций fp(...) и f(...) учитывающих взаимовлияние источника и нагрузки и решению системы уравнений (3).

В этой связи представляется необходимым рассматривать разнообразные системы с ограниченными источниками энергии и изучать свойственные им

общие закономерности с минимальным привлечением сведений специального характера.

1. Математическая модель функционирования суперконденсатора в комбинированной системе пуска двигателя внутреннего сгорания.

Общее уравнение электрического равновесия для электрической цепи:

Еъ=(Г + Гп+Гс+гт+Г2+ О^+и^ +ес+Ь^.

Напряжение на суперконденсаторе в режиме заряда:

ес =^1ЧЛ + ес(„)>

где ет - начальное напряжение на зажимах суперконденсатора перед включением в работу; ц - ток заряда суперконденсатора, А; С - электрическая емкость суперконденсатора, Ф; I — время, с.

Модель суперконденсатора и тягового электродвигателя:

<йс „(ЛФ)\. 0.-ФМ

т

Л J J

где гш - сопротивление электрического мотора, Ом; гс - внутреннее сопротивление суперконденсатора, Ом; к - коэффициент пропорциональности; Ф - магнитный поток, Вб; Мт - момент сопротивления (тормозной момент) всех вращающихся масс, приведенный к валу электрического мотора, Н-м; J -приведенный момент инерции; где частное решение

¿ФМТС I. ~-!-

J + {kФ)2■C'

Электродвижущая сила суперконденсатора Частота вращения ротора тягового электродвигателя:

/сФ с РС

г ^ \ » ^

+-З-

(1-е1")-—•

2. Исследование процессов функционирования накопителя энергии в гибридном машинно-тракторном агрегате.

Так как изменение сопротивления при постоянной скорости движения МТА в момент выполнении им сельскохозяйственных операций носит колебательный характер, т.е. имеются экстремумы функции (максимум и минимум), необходимо установить комбинированную энергоустановку, основной частью которой является накопитель энергии, способный отдать энергию в процессе разряда при возрастании нагрузки и запасти ее от первичного источника энергии при ее снижении в процессе заряда.

Я*М>

Рисунок 10 — Изменение тягового сопротивления МТА в процессе работы

Ниже представлена математическая модель функционирования накопителя энергии на базе суперконденсатора в МТА в соответствии с изменением тягового сопротивления МТА в процессе работы (рисунок 10).

Для запаса в суперконденсаторе наибольшей энергии системы необходимо, чтобы в зарядной цепи и в механической системе не было никаких потребителей энергии, кроме самого суперконденсатора, т. е. идеальным условием и для накопления наибольшей энергии является отсутствие омического сопротивления и момента сопротивления на валу тягового электродвигателя. Тогда уравнение движения имеет вид:

с/(0„

Л ос Л

где а — коэффициент пропорциональности между электродвижущей силой якоря и его угловой скоростью вращения, кыж = Мт, где шос - угловая скорость вращения в конце торможения; со0 - угловая скорость вращения в начале торможения.

При к = О может записать:

аС([/0-[/С0) = -У(ш0С-ш0). (4)

Полагаем, что напряжение на суперконденсаторе при < = о равно нулю (иа = 0). Тогда выражение (4) упростится:

аСи0=-Ла0С-<00). (5)

Напряжение

ио = аЫос. (6)

Подставим (3) в (2):

а2Соивое = -Утос(-2—1),

га„„

(7)

откуда найдем емкость как функцию электромеханических параметров системы:

а2 со

Энергия электрического поля суперконденсатора:

~2 m 2 а (В

откуда с учетом (4) ¿V = ~ 1]_2~ ~ '^(С0оюос_

Скорость вращения, при которой Е^ имеет максимум, найдем из уравнения

¿¿у 1 .. </ю„„ „ с/ш„.

= -7(шо-^-2шос-^) = 0, (9)

i/œoc 2 Î/COoc dœL

о =^<L

откуда шос 2 •

Подставив (9) в выражение (8), получим величину оптимальной емкости суперконденсатора:

а2 ю0 ' а2

Напряжение суперконденсатора при оптимальной емкости найдем из (6) с учетом (9)

U А

oopt 2

Максимальная энергия, запасаемая в суперконденсаторе: {/„2Р, = J а2со2 = 1 j ю„ 2 а2 2-4 4 2

Из выражения (10) следует, что в суперконденсаторе может быть накоплено 25 % полной кинетической энергии системы.

3. Математическая модель накопителя электрической энергии на базе аккумуляторной батареи для TTC.

В разработанной модели используется вольтамперная характеристика (ВАХ) аккумуляторной батареи (АБ) отдельно для разрядного и зарядного участков с учетом количества последовательно тА и параллельно иА включенных аккумуляторов в батарее. Вольтамперные характеристики при разряде аккумуляторной батареи представлены в модели уравнениями, описывающими взаимосвязь между напряжением на зажимах аккумулятора UpA и током разряда /рА на линейном рабочем участке вольтамперной характеристики (рисунок 11):

= ^ = № (Ю)

С/рА^крА

V *^кр а

где и А - условное обозначение начала разряда, В; I,фА - ток «короткого

замыкания», А; /рА - ток разряда, А.

Уравнение вольтамперной характеристики аккумуляторной батареи:

и.

рА

: «А^крЛ

1-/.

рАЕ

ИА^крА )

(П)

где /рдБ - ток разряда всей аккумуляторной батареи.

При заряде аналогично линеаризуется зарядная часть вольтамперной характеристики аккумулятора.

При токе заряда /зА напряжение на зажимах аккумулятора С/зА равно:

V ^кзА

где иаА — условное напряжение начала заряда, В; /юА — условный ток «короткого замыкания» зарядной части вольтамперной характеристики, А; /зА — ток заряда, А (рисунок 12).

Для аккумуляторной батареи:

и,АЕ = тАитА

і-Ла,

V ПА^кзА J

где /зАБ — зарядный ток всей батареи.

(12)

и

О

и

Рисунок 11 - Типичная зарядно-разрядная вольтамперная характеристика

аккумулятора

инцаЗ

Разряд

I.,

4ра2

Рисунок 12 - Линеаризация разрядных характеристик аккумуляторной батареи при различной степени ее разряженности

Параметры, соответствующие точкам пересечения этих характеристик (рис. 11-13) с осями ординат (U^А, Лрл, /иА), зависят от степени

заряженности SOC аккумулятора.

Рисунок 13 — Линеаризация зарядных вольтамперных характеристик

аккумулятора

Рисунок 14 — Временные разрядные характеристики аккумуляторной батареи

Величины UKрд, /крд, Uaа, /ЮА получены экспериментально по временным зарядным ÎAaW и разрядным UpA(t) характеристикам при различных токах заряда и разряда (рисунок 14). При этом также определены рабочие зоны характеристик.

К концу расчетного временного интервала, в зависимости от параметров режима работы аккумуляторной батареи, корректируется степень заряженности SOC аккумуляторов и связанные с нею параметры вольтамперной характеристики. При этом необходимо учитывать коэффициенты полезного действия разряда (коэффициент отдачи энергии qpA) и заряда (коэффициент усвоения энергии <7за). Каждый из них зависит от степени заряженности и величины разрядного и зарядного тока.

Величина <7ра представляет собой отношение отданного при разряде количества электричества Q к номинальной емкости Сн, определяемой при разряде аккумулятора номинальным током ¿Сн. Для аккумуляторной батареи с п параллельно включенными элементами имеем соответственно /ск. Емкость,

отданная аккумуляторной батареей при разряде на расчетном интервале

времени, определяется по формуле «■

а полученная при подзаряде -

где Д/; = - расчетный интервал времени; /рАБ и /заб - эквивалентные токи заряда и разряда на интервале причем:

Ші ti —1 ЛАВ, Ï

Величина этих токов, отнесенная к току /Сн = гс„«Л, при которых определялась номинальная емкость батареи, дает возможность найти:

АО,

фактическое снижение емкости при разряде ДСЫ = —- с помощью

<7ра

характеристики <7рД , полученной экспериментально в результате

стендовых испытаний различных аккумуляторов;

фактический прирост емкости при подзаряде ЛС„ = с помощью

9,А

экспериментально снятой зависимости qA

U» J

К концу расчетного временного интервала рассчитывается емкость и реальная степень заряженности аккумуляторной батареи: Ск, = С(/ - 1 )+АС - АСрй

Z =

г

V ^W

хЮО %.

Полученная величина SOC позволяет найти параметры зарядной и разрядной вольтамперных характеристик по введенным в математическую модель зависимостям U^,А, I,фА, UKзА, /иa (SOC), что позволяет воспользоваться уравнениями (11) и (12) для определения напряжения аккумуляторной батареи и всех зависящих от него параметров работы моделируемого тягово-транспортного средства в следующем расчетном интервале в соответствии с новым состоянием энергетической установки.

Наряду с описанной моделью аккумуляторной батареи, применен более универсальный, хотя и несколько более сложный подход. Он состоит в использовании уравнений аппроксимации зависимости электродвижущей силы

и максимальном удельной мощности от степени заряженности, отдаваемой емкости и уровня тока разряда аккумуляторной батареи на основе экспериментальных данных.

Максимальную удельную мощность аккумуляторной батареи определяем по формуле

Ри = ах2 +Ьх +с;

где х - текущая степень заряженности аккумуляторной батареи, %; а, Ъ, с -коэффициенты аппроксимации.

Аппроксимация электродвижущей силы аккумуляторной батареи имеет

вид:

£аб = и„ 957 + 0008Л:) , где {/„ - номинальное напряжение аккумуляторной батареи, В. Г ии (0,003* + 0,9) для 0 < л: < 50;

Еае = "S

[_ £/,1,05 для* > 50.

Внутреннее сопротивление при любой степени заряженности аккумулятора определяем по следующей формуле: Е2

г> _ ^ аб аб , г> '

где /Идб — масса аккумуляторной батареи, кг.

Емкость Qn «-часового разряда аккумулятора заданной массы определяется по формуле

0=^ Ма ТТ >

UHmH

где Qn — емкость л-часового разряда, А-ч; т„ — величина, обратная удельной энергоемкости батареи в режиме и-часового разряда в соответствии с выражением:

а a

где Qp - емкость аккумуляторной батареи при токе разряда /р; /р - ток п-часового режима разряда; п — показатель степени.

На рисунке 15 представлена эффективность использования различных типов литиевых аккумуляторных батарей и величина используемой энергии.

На основе данных рисунка 15 была построена карта эффективных областей использования различных типов литиевых аккумуляторов для TTC (рисунок 16). Используя данную карту, можно определить наиболее эффективный тип аккумуляторной батареи при использовании в конкретной схеме гибридного транспортного средства и электромобиля в зависимости от величины пробега на автономном электрическом ходу и расходу энергии.

45

35

Ш

170 1 70 40

26 33

112

110

lfp lto lfp ext lmo nmc nca

Рисунок 15 - Эффективность использования аккумуляторных батарей, величина используемой энергии: LFP - литий-железо-фосфатный аккумулятор; LTO - литий-титанатный аккумулятор; LFP ЕХТ - литий-железо-фосфатный наноструктурированный аккумулятор; LMO — литий-марганцевый аккумулятор; NMC - литий-никель-марганцево-кобальтовый аккумулятор; NCA - литий-никель-кобальт-алюминиевый аккумулятор

400 350 300 3 250

Ф

1 200 сг

150 100 50

nmc 1

! nca 1

I LMO

lfp - lmo — nmc

lto

lfp'ext

lfpext. lto, nmc. nca

0.15 0,30 0,45 0.60 0,75 0,90 1.05 1,20 1,35 1.50 1.65 1.80 1,95 2.10

Расход энергии. кВт-ч/км

Рисунок 16 - Эффективные области использования различных типов литиевых аккумуляторов для тягово-транспортных средств

Глава 4 «Результаты экспериментальных исследований» Экспериментальные исследования функционирования тягово-транспортных средств и машинно-тракторных агрегатов с тяговым электроприводом и накопителями электрической энергии в различных режимах использования проводились на базе ФГБОУ ВПО МГАУ, ФГБОУ ВПО НГТУ, ООО ОИЦ «Группа ГАЗ», НТЦ ОАО «КАМАЗ», ЗАО «Тролза», ОАО «НЗХК», ООО МНПО «Эконд», ООО «НИИКЭУ» с 2008 по 2013 годы.

Результаты экспериментальных исследований комбинированной системы пуска двигателя внутреннего сгорания (рисунок 17) представлены на рисунке 18.

Рисунок 17 - Опытный образец комбинированной системы пуска с суперконденсатором

Рисунок 18 - Результаты экспериментальных исследований комбинированной системы пуска двигателя внутреннего сгорания

В результате экспериментальных исследований комбинированной системы пуска двигателя внутреннего сгорания получено, что:

необходимо использование устройства, обеспечивающего функции ограничения тока при заряде суперконденсатора от аккумуляторной батареи перед пуском, и электронного ключа, исключающего заряд суперконденсатора от аккумуляторной батареи во время пуска;

эффективный временной интервал использования суперконденсаторов в системе пуска составляет до 1 с.

Результаты экспериментальных исследований гибридного МТА с суперконденсаторами в качестве накопителя энергии (рисунок 19) представлены на рисунке 20.

Рисунок 19 - Экспериментальный образец компенсатора динамической нагрузки МТА с использованием суперконденсаторов ООО МНГТО «Эконд»

с накопителем, без нагрузки без накопителя, без нагрузки с накопителем, с нагрузкой без накопителя, с нагрузкой

3,00

с накопителем, без нагрузки без накопителя, без нагрузки с накопителем, с нагрузкой без накопителя, с нагрузкой

0.00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00

Касательная сила на колесе, кН

Рисунок 20 - Результаты экспериментальных исследований функционирования гибридного МТА с накопителем энергии

В результате исследований получены оптимальные по критерию >тт значения энергоемкости накопителя Ес (кДж) в зависимости от коэффициента вариации момента сил сопротивления (таблица А) для двигателей наиболее распространенных марок.

Полученные результаты доказывают эффективность использования данной технологии в качестве компенсатора динамических нагрузок и открывают возможности для реализации электрического привода исполнительных органов и механизмов прицепных орудий.

Таблица! - Оптимальная энергоемкость суперконденсатора в зависимости от

КОЭ( »фициента вариации момента сил сопротивления, кДж

Трактор Eç при

б =10 % б = 20 % б = 30 %

МТЗ-80, 82 МТЗ-100 К-700 60 70 180 120 140 360 180 210 540

LFP фирмы Winston Battery LFP EXT фирмы LTO SCiB фирмы (Thunder Sky), Китай A123Systems, США TOSHIBA, Япония

Рисунок 21 - Экспериментальные накопители энергии на основе различных

типов аккумуляторов

Для исследования оптимальных параметров аккумуляторных батарей при использовании в различных типах TTC и МТА с тяговым электроприводом были проведены испытания на изменение внутреннего сопротивления при различных токах заряда/разряда, температуры, степени заряженности и количества циклов заряда/разряда аккумулятора.

В качестве объектов испытаний были выбраны аккумуляторы как наиболее распространенные и используемые в TTC в качестве накопителей энергии и различные по типам (рисунок 21).

Полученные результаты исследований представлены на рисунке 22.

Испытания проводились при токах заряда/разряда 20 А (1С) длительностью 10 с при температуре окружающей среды от -30°С до +60°С.

В качестве испытуемых образцов были отобраны новые АБ номинальным напряжением 48В.

зарядные характеристики разрядные характеристики

Рисунок 22 - Изменение внутреннего сопротивления аккумуляторов при различной степени заряженности аккумулятора и температуры окружающей

среды

LFP Thunder Sky LFP A123Systems LTO TOSHIBA

На основе экспериментальных данных установлено, что один из основных показателей влияющих на эффективность функционирования аккумуляторов — динамическое внутреннее сопротивление напрямую зависит от степени заряженности АБ и температуры окружающей среды, что в конечном итоге влияет на интенсивность нагрева АБ, способа охлаждения/нагрева, величины требуемой энергии для отвода/подвода тепла и соответственно на область использования АБ в TTC.

Многоосного шасси с электрической трансмиссией Заказчик - ОАО «КАМАЗ» 2009 год

Рисунок 23 - Макетные и опытные образцы гибридных тягово-транспортных средств с накопителями энергии

Гибридный автомобиль на базе BA3-21213 Нива 2003 год

Гибридный трактор на базе ВТЗ 2048А

Заказчик - Минсельхоз РФ 2008 год

Электромобиль на базе ГАЗ 3302 Пробег на одной зарядке 100 км Заказчик - Группа ГАЗ 2009 год

Электромобиль на базе ГАЗ 3302 Пробег на одной зарядке 200 км Заказчик - Лиотех для ГК Росатом 2012 год

Рисунок 24 - Опытные образцы электрических тягово-транспортных средств с

накопителями энергии

Электрический мусоровоз на базе КАМАЗ 65115 Автономный ход 100 км Заказчик - МОБЭЛ 2011 год

Рисунок 25 - Макетные и опытные образцы гибридных тягово-транспортных средств с накопителями энергии

Электрический трактор на базе МТЗ-82 Автономный ход 70 км Заказчик - МОБЭЛ 2011 год

Макетные и опытные образцы гибридных и электрических тягово-транспортных средств с накопителями энергии представлены на рисунках 23, 24 и 25.

В главе 5 «Внедрение и технико-экономическая оценка повышения эффективности TTC при использовании накопителей энергии» приведена информация о внедрении накопителей энергии в тягово-транспортных средствах, а также произведен расчет экономической эффективности использования накопителей энергии в гибридных и электрических тягово-транспортных средствах.

При эксплуатационных расчетах оптимальную степень нагрузки двигателя определялось с учетом имеющихся рекомендаций, полученных на основе обобщения результатов многочисленных экспериментальных исследований. При соблюдении условий стабилизации коэффициента вариации момента сил сопротивления на валу двигателя ô в соответствии с таблицей 2 происходило увеличение средней технологической скорости

движения МТА на 5... 10%, что привело к изменению эксплуатационных показателей, представленных в таблице 2-

Таблица 2-Показатели эффективности использования накопителя энергии _в машинно-тракторных агрегатах__

Показатель Значение

Увеличение выработки за 1 ч эксплуатационного времени, % Уменьшение эксплуатационных затрат на 1 ч, % Уменьшение затрат на топливо, % Увеличение выработки на 1 т металла агрегата, % 13...18 6...12 6...8 6...13

Рисунок 26 - Окупаемость аккумуляторов

Определено, что при эксплуатации более дорогие аккумуляторные батареи с лучшими показателям покажут большую окупаемость в отличие от менее дорогих, но с худшими показателями (рисунок 26).

Общие выводы

1. Установлено, что в разработке новых компонентов для гибридных тягово-транспортных средств важное место занимают аккумуляторные батареи.

2. Определены эффективные области использования накопителей энергии, из которых получено, что наиболее востребованными типами накопителей являются литий-ионные аккумуляторы и суперконденсаторы.

3. Разработана математическая модель функционирования суперконденсатора в комбинированной системе пуска двигателя внутреннего сгорания.

4. В результате экспериментальных исследований комбинированной системы пуска ДВС установлено, что:

необходимо использование устройства, обеспечивающего функции ограничения тока при заряде суперконденсатора от аккумуляторной батареи перед пуском, и электронного ключа, исключающего заряд суперконденсатора от аккумуляторной батареи во время пуска;

эффективный временной интервал использования суперконденсаторов в системе пуска составляет до 1 с.

5. Разработаны математические модели функционирования накопителя энергии на базе суперконденсаторов и аккумуляторных батарей для электрических и гибридных машин и агрегатов, из которых установлено, что:

наибольшей эффективностью обладают суперконденсаторы с наименьшим внутренним сопротивлением;

требуемая энергоемкость суперконденсаторов тождественна величине рекуперируемой энергии при торможении TTC.

показателями эффективности аккумуляторных батарей являются: низкое внутреннее сопротивление, высокая мощность при рекуперативном торможении, наибольший коэффициент доступной энергии и максимальное количество циклов заряда/разряда.

6. В результате экспериментальных исследований получено, что наибольшая эффективность гибридных машин и агрегатов при использовании суперконденсаторов наблюдается при временном интервале заряда/разряда от 0,1 до 2 с.

7. В результате экспериментальных исследований накопителя энергии на базе аккумуляторных батарей для электрических и гибридных машин и агрегатов установлено, что:

наиболее эффективными типами накопителя для электрических тягово-транспортных средств с заданным маршрутом полной массой до 6 т являются литий-железо-фосфатные, литий-марганцевые, литий-никель-марганцево-кобальтовые аккумуляторы, характеризующиеся наилучшим показателем удельной стоимости, однако для полной массой более 6 т являются литий-титанатные и литий-железо-фосфатные наноструктурированные, допускающие заряд большими токами и наибольшее количество циклов;

наиболее эффективными типами накопителей для легковых электромобилей вне зависимости от условий эксплуатации являются литий-марганцевые, литий-никель-кобальт-алюминиевые, литий-никель-марганцево-кобальтовые аккумуляторы, характеризующиеся наилучшим показателем удельной энергии;

наиболее эффективными типами накопителей наиболее эффективными типами накопителей для гибридных тягово-транспортных средств являются литий-железо-фосфатные наноструктурированные, литий-титанатные, литий-никель-марганцево-кобальтовые, литий-никель-кобальт-алюминиевые

аккумуляторы, допускающие циклирование заряд/разряд большими токами в течение длительного времени.

8. Установлено, что в гибридных машинно-тракторных агрегатах происходит уменьшение расхода топлива на 6...8% за счет использования накопителя энергии.

9. Получено, что срок окупаемости электрических тягово-транспортных средств составляет от 3 до 5 лет в зависимости от типа используемой аккумуляторной батареи и тягово-транспортного средства.

Список опубликованных работ Монографии

1. Иванов, С. А. Использование суперконденсаторов в комбинированных энергоустановках тягово-транспортных средств. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» [Текст] / О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов - М.: ООО УМЦ «Триада», 2004 - 160 с.

2. Иванов, С. А. Использование суперконденсаторов в системах электрооборудования тягово-транспортных средств [Текст] / О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, Г.Н. Смирнов, Д.Г. Асадов - М.: ООО «УМЦ «Триада», 2005. -160 с.

3. Иванов, С. А. Тенденции и пути развития современных электромобилей (аналитический обзор) [Текст] / О.Н. Дидманидзе, Е.А. Пучин, С.А. Иванов - М.: ООО УМЦ «Триада», 2006 - 76 с.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

4. Иванов, С. А. Комбинированные энергоустановки с ИКЭ - основа эффективного использования топливно-энергетических ресурсов XXI века [Текст] / A.M. Иванов, С.А. Иванов // Электротехника. - 2003. - №12. - С. 2-6.

5. Иванов, С. А. Повышение надежности электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания [Текст] / A.M. Иванов, О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, В.В. Кошкин // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2004. - № 8. -С. 34-38.

6. Иванов, С. А. Компенсация динамической мощности при использовании накопителей энергии в электрических системах [Текст] / Б.Б. Аруов, A.M. Иванов, О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2004. -№ 11. - С. 41-47.

7. Иванов, С. А, Электрохимический генератор как бортовой источник энергии системы электрооборудования электромобиля [Текст] / О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, Е.В. Новиков // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2004. - № 12. - С. 36-39.

8. Иванов, С. А. Электрохимический генератор как бортовой источник энергии комбинированной системы пуска [Текст] / О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, В.В.Кошкин // Вестник ФГБОУ ВПО МГАУ. - 2004. -№4. - С.52-54.

9. Иванов, С. А. Области применения UltraCaps EPCOS [Текст] / С.А. Иванов // Приводная техника. — 2004. — № 6. - С. 56-59.

10. Иванов, С. А. Надежность и эффективность электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания при использовании суперконденсатора [Текст] / A.M. Иванов, О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, Г.Н. Смирнов // Электронный журнал МГАУ им.В.П.Горячкина. -2005. -№1.

11. Иванов, С. А. Комбинированная энергоустановка на тракторе [Текст]/ С.А.Иванов, М.Н.Шмелев//Сельский механизатор.-2005.-№12.-С.13.

12. Иванов, С. А. Электростартерный пуск двигателя с использованием суперконденсатора [Текст] / О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, Г.Н. Смирнов // Сельский механизатор. - 2006. —№ 3. - С. 14-15.

13. Иванов, С. А. Трактор с комбинированной энергоустановкой [Текст] / О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, В.А. Иволгин // Сельский механизатор. - 2008. -№ 11.-С. 6-7.

14. Иванов, С. А. Анализ рынка и тенденции развития литий - ионных аккумуляторов и электромобилей [Текст] / Д.Г. Асадов, С.А. Иванов // Международный технико-экономический журнал. - 2011. - №1. - С. 119-122.

15. Иванов, С. А. Повышение эффективности функционирования тягово-транспортных средств при использовании накопителей энергии [Текст] / С.А. Иванов // Международный технико-экономический журнал. - 2013. - №4. - С. 92-96.

16. Иванов, С. А. Определение эффективных областей использования суперконденсаторов в гибридных MTA [Текст] / С.А. Иванов // Международный технико-экономический журнал. - 2013. - №4. - С. 97-101.

17. Иванов, С. А. Определение эффективных областей использования аккумуляторных батарей в гибридных и электромобильных TTC [Текст] / С.А. Иванов // Международный технико-экономический журнал. — 2013. - №4. - С. 102-105.

Патенты на полезную модель

18. Пат. 29505 Российская Федерация. Универсальная комбинированная энергоустановка [Текст]/ Иванов С.А. - №2002128860; заявл. 06.11.2002; опубл. 20.05.2003, Бюл. №14. - 1 с.

19. Пат. 32443 Российская Федерация. Многоцелевая комбинированная энергоустановка с молекулярным накопителем электроэнергии [Текст]/ Иванов С.А. - №2003104131; заявл. 17.02.2003; опубл. 20.03.2003, Бюл. №26 - 1 с.

20. Пат. 42206 Российская Федерация. Комбинированная энергоустановка сельскохозяйственной техники [Текст]/ Дидманидзе O.H., Иванов С.А., Новиков Е.В. - №2004113804; заявл. 11.05.2004; опуб. 27.11.2004; Бюл. №33 - 1 с.

21. Пат. 40547 Российская Федерация. Устройство заряда накопителя энергии при регенеративном торможении [Текст]/ Дидманидзе O.H., Иванов С.А., Новиков Е.В. - №2004114428; заявл. 17.05.2004; опуб. 10.09.2004; Бюл. № 25 - 1 с.

22. Пат. 41281 Российская Федерация. Комбинированная энергоустановка [Текст]/ Дидманидзе O.H., Иванов С.А., Новиков Е.В. -№2004114427; заявл. 08.08.2004; опуб. 20.10.2004; Бюл. №29 - 1 с.

23. Пат. 43699 Российская Федерация. Комбинированный источник электропитания [Текст]/ Аруов Б.Б., Дидманидзе O.H., Иванов С.А. -№2004113805; заявл. 11.05.2004; опуб. 27.01.2005; Бюл. №3 - 1 с.

24. Пат. 40535 Российская Федерация. Емкостно-кинетический источник энергии [Текст]/ Аруов Б.Б., Дидманидзе O.H., Иванов С.А. -№200414405; заявл. 17.05.2004; опуб. 10.09.2004; Бюл. №25 - 1 с.

25. Пат. 80403 Российская Федерация. Электробус [Текст]/ Иванов -№2008127244; заявл. 07.08.2008; опуб. 10.02.2009; Бюл. №4-1 с.

26. Пат. 83033 Российская Федерация. Экобус [Текст] / Иванов С.А. -№2008127243; заявл. 07.07.2008; опубл. 20.05.2009, Бюл. № 14. - 1 с.

Методические рекомендации и руководства

27. Иванов, С. А. Устройство автомобилей. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» [Текст] / О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, A.M. Карев, Я.В. Чупеев - М.: ООО УМЦ «Триада», 2006 - 390с.

28. Иванов, С. А. Руководство по диагностике, ТО и ремонту комбинированной энергоустановки гибридного автомобиля Toyota Prius NHW20 [Текст] / О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, Д.Г. Асадов, Я.В. Чупеев - М.: ООО УМЦ «Триада», 2006 - 360 с.

Публикации в других изданиях

29. Иванов, С. А. Функционирование комбинированной энергоустановки сельскохозяйственной техники [Текст] // О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, В.П. Уваров, М.Н. Шмелев // Объединенный научный журнал. - 2005. - № 23. - С. 0,25/0,06.

30. Иванов, С. А. Обоснование создания и применения на карьерных самосвалах комбинированной энергоустановки [Текст] // О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, В.П. Уваров, М.Н. Шмелев // Объединенный научный журнал. -2005. - № 23. - С. 0,17/0,04.

31. Иванов, С. А. Оптимизация работоспособности аккумуляторов путем использования адаптивных режимов заряда в рефрижераторных контейнерах [Текст] / О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, Р.В. Паскаленко // Объединенный научный журнал. - 2006. - №6. - С. 38-45.

32. Иванов, С. А. Влияние нестационарности работы двигателей на экологическую и экономическую безопасность [Текст] / О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, М.В. Лобанов, A.M. Серафимов, Р.В. Ноздрин // Международный научный журнал. - 2007. - №3. - С. 19-25.

33. Иванов, С. А. Повышение надежности комбинированных энергоустановок [Текст] / О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, М.В. Лобанов М.В., Серафимов A.M., Ноздрин Р.В. // Международный научный журнал. - 2007. -№1. - С. 7-10.

34. Иванов, С. А. Применение электрохимического генератора на животноводческой ферме [Текст] // О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, A.M. Карев. // Международный научный журнал. - 2007. - №2. - С. 5-10.

35. Иванов, С. А. Использование суперконденсаторов в комбинированных энергоустановках тягово-транспортных средств [Текст] // С.А. Иванов // Международный технико-экономический журнал. - 2007. - №2. -С. 29-32.

36. Иванов, С. А. Анализ работы комбинированной сельскохозяйственной энергоустановки [Текст] // Л.С. Орсик, О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов // Международный научный журнал. - 2008. - №1. С. 7-10.

Подписано к печати 2.09.2013 г.

Формат 68x84/16

Бумага: писчая

Печать: трафаретная

Уч.-изд.л.1,86

Тираж 100 экз.

Заказ №321

Отпечатано ООО «УМЦ Триада»

127550, Москва, ул. Лиственничная аллея, д.7 корп.2.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

I

Московский государственный агроинженерный университет

имени В.П. Горячкина

05201351966

На правах рукописи ИВАНОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 621.355:621.869

Повышение эффективности тягово-транспортных

I

средств при использовании накопителей энергии

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства метоиим,,нп

сельского хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

член-корреспондент РАСХН, д.т.н., профессор Дидманидзе О.Н.

МОСКВА 2013

Содержание

Список сокращений 5

Введение 6

Глава 1 «Состояние проблемы, цель и задачи исследования» 8

1.1 Экологическая и экономическая составляющие 8

1.2 Электромобили 15

1.3 Гибридные автомобили 26

1.4 Тягово-транспортные средства с электрической трансмиссией 29

1.5 Особенности развития систем электрооборудования транспортных средств 36

1.6 Аккумуляторные батареи 45

1.7 Суперконденсаторы 48

1.8 Выводы по главе 1 55

Глава 2 Исследование условий функционирования машин и агрегатов

и определение показателей эффективности накопителей электрической энергии 56

2.1 Характеристика импульсных нагрузок тягово-транспортных средств и методы их компенсации 56

2.1.1 Общие требования 56

2.1.2 Система электростартерного пуска 5 7

2.1.3 Накопитель энергии для сельскохозяйственных самоходных машин 73

2.1.4. Определение переходных режимов электропривода гибридного тягово-транспортного средства ! 76

2.2. Определение требований к накопителям энергии и показатели их эффективности 84

2.2.1 Имитационная модель TTC с КЭУ и алгоритм управления 84

2.2.2 Результаты моделирования 93

2.2.3 Результаты моделирования функционирования накопителя

электрической энергии 95

2.2.4 Показатели функционирования аккумуляторных батарей 96

2.2.5 Показатели функционирования суперконденсаторов 98

2.2.5.1 Статические энергетические потери суперконденсаторов 100

2.2.5.2 Динамические энергетические потери суперконденсаторов 100

2.3. Выводы по главе 2 103 Глава 3 Теоретические исследования функционирования накопителей

энергии в различных режимах использования машин и агрегатов 107

3.1 Метод анализа переходных процессов машин и агрегатов 107

3.2 Математическая модель функционирования суперконденсатора в комбинированной системе пуска двигателя внутреннего сгорания 109

3.2.1. Принципиальная схема системы пуска ДВС 109

3.2.2. Математическая модель системы пуска ДВС 111 3.2.3 Расчет параметров комбинированных источников питания

систем пуска ДВС 121

3.3 Исследование процессов функционирования накопителя энергии в гибридном машинно-тракторном агрегате 133

3.4. Математическая модель функционирования суперконденсатора в

I

гибридном тягово-транспортном средстве 141

3.4.1 Принципиальная схема работы 141

3.4.2 Аналитический метод расчета процессов В; системе тяговый электродвигатель - суперконденсатор 145

3.5 Математическая модель аккумуляторной батареи для электрических TTC 148

3.6 Выводы по главе 3 155 Глава 4. «Результаты экспериментальных исследований» 159

4.1 Разработка принципиальной схемы комбинированного источника питания для системы комбинированного пуска и гибридной установки сельскохозяйственных самоходных машин 1 159

4.2 Определение параметров системы заряда комбинированных

источников питания систем пуска ДВС 168

4.3 Экспериментальные исследования функционирования комбинированной системы пуска 174

4.3.1 Методика испытаний 174

4.3.2 Основные условия испытаний 177

4.4 Экспериментальные исследования комбинированной энергоустановки на базе трактора ВТЗ-2048А 186

4.4.1 Исходные условия 186

I

4.4.2 Описание экспериментальной установки , 187

4.4.3 Анализ и заключение по результатам испытаний 189

4.5 Экспериментальные исследования накопителя энергии для TTC с электрической трансмиссией 192

4.5.1 Начальные условия 192

4.5.2 Проведение испытаний 194

I

4.5.3 Результаты испытаний 200 4.5 Выводы по главе 4 202 В главе 5 «Внедрение и технико-экономическая оценка повышения

эффективности TTC при использовании накопителей энергии» 206

5.1 Расчет экономической эффективности применения систем пуска ДВС с комбинированным источником энергии , 223

5.2 Технико-экономическая оценка эффективности применения накопителей энергии в МТА 225

5.3. Выводы по главе 5 227

Общие выводы 229

Список использованной литературы 232

Приложение 1 253

Приложение 2 289

Список сокращений

АБ - аккумуляторная батарея

БИУС - бортовая информационно-управляющая система

ВАХ - вольтамперная характеристика

ДВС - двигатель внутреннего сгорания

ДЭС - двойной электрический слой

ИКЭ - импульсный конденсатор энергоемкий

МТА - машинно-тракторный агрегат

НЭ.— накопитель энергии

TTC - тягово-транспортное средство

ТЭД - тяговый электродвигатель

BMS - система контроля и управления аккумуляторной батареей

DOD - степень разряда

LFP - литий-железо-фосфатный аккумулятор

LFP ЕХТ - литий-железо-фосфатный наноструктурированный аккумулятор

LMO - литий-марганцевый аккумулятор 1 LTO - литий-титанатный аккумулятор

NMC - литий-никель-марганцево-кобальтовый аккумулятор NCA - литий-никель-кобальт-алюминиевый аккумулятор

I

SOC - уровень заряда

Введение

Во время последней четверти 20-го столетия, благодаря нескольким обстоятельствам, таким, как нефтяной кризис, вопросы защиты окружающей среды и технологические прорывы, стали набирать вновь силу усилия по созданию жизнеспособного электромобиля. Достижения в технологиях силовой электроники в 70-х и последующие улучшения в 80-х дали рождение мощным и эффективным преобразователям (инверторам), которые сделали жизнеспособным использование электромоторов переменного тока, которые проще, эффективнее и обладают более высокой удельной мощностью, чем классический мотор постоянного тока.

TTC, которые могут достичь большей автономности, чем у чисто электромобиля и большей эффективности, чем у обычных автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) обычно известны как «гибридные системы». Для того, чтобы достичь максимальной эффективности и минимальной эмиссии вредных веществ в окружающую среду, основной преобразователь энергии (ДВС на дизельном или газовом топливе, газовая турбина, топливные элементы и т.п.) должен работать с оптимальным

I

количеством энергии на выходе, что входит в противоречие с различными

I

энергетическими требованиями TTC. Также, для достижения своего потенциала система должна быть способна восстанавливать энергию после торможения, чего система, основанная на сохранении природной ископаемой энергии, делать не может. Следовательно, интеграция этих разнородных механизмов превращения энергии требует временного вспомогательного устройства сохранения энергии. При этом TTC способно восстанавливать и повторно использовать энергию после торможения; а основной преобразователь энергии (ДВС, газовая турбина, топливные элементы, и т.д.) оптимизирован в размерах и в стоимости, чтобы удовлетворять средние (не пиковые) энергетические потребности. Эти вспомогательные устройства

I

хранения энергии должны иметь высокую плотность энергии, высокую

I

удельную энергию и высокую эффективность.

Два альтернативных устройства для сохранения энергии, которые нашли широкое распространение в качестве накопителей энергии - это улучшенного типа аккумуляторные батареи (АБ) и суперконденсаторы.

Эти ожидания, основанное на интуитивных рассуждениях, может

I

быть сформулировано, как гипотеза.

Использование накопителя энергии, работающего на основе суперконденсаторов илитий-ионных АБ подзаряжаемых ДВС-генератором, увеличивает общую энергетическую эффективность и увеличивает автономность. Это означает, что в условиях езды с большим количеством

остановок и ускорений относительно покрытого расстояния, общая

!

затраченная энергия (на километр) будет ощутимо ниже у TTC с накопителем энергии на суперконденсаторной или литий-ионной основе, чем у тех же TTC, но без накопителя энергии. TTC, оснащённые накопителем энергии, были бы способны покрыть большее расстояние».

Демонстрация либо опровержение этой гипотезы будет главной целью этой работы.

Для того, чтобы продемонстрировать либо опровергнуть предлагаемую гипотезу, будут спроектированы и созданы реальные прототипы накопителей энергии, в которых будут использованы суперконденсаторы, литийжелезофосфатные АБ. Системы будет реализованы и тестированы на TTC.

Глава 1 «Состояние проблемы, цель и'задачи исследования» 1.1 Экологическая и экономическая составляющие

1 I

Появление ДВС более века тому назад и их применение , на автотранспорте погубило появившиеся ранее электромобили с аккумуляторными батареями, которые оказались неконкурентоспособными по пробегу, стоимости и эксплуатационным показателям.

С тех пор автотранспорт с ДВС завоевал мир, однако многие

\

называют его чумой 20-го века. Интересно отметить, что в 1897 году в США после первых континентальных автомобильных гонок на приз газеты «Чикаго Трибюн», где первое место занял электромобиль, один из разработчиков которого выступил с докладом в Смитсоновском институте об угрозе задымления городов автомобилями с бензиновыми двигателями. Прошло столетие, и, как это ни парадоксально, именно совершенствование

автотранспорта приводит к возрождению 1 электромобилей как более

I

экономичного, эффективного и, главное, менее загрязняющего окружающую среду транспортного средства.

Использование аккумуляторных батарей в качестве основного источника энергии электромобиля предполагает принцип движения «от розетки до розетки», что, в свою очередь, требует кардинального изменения инфраструктуры заправки. 1

Возможно, как ни странно, что негативную (обратную поставленным целям) роль сыграли те жесткие требования,| которые предъявлялись к тяговым источникам энергии, поскольку они настраивали проектировщиков

I

на нереальное достижение предельных показателей сразу по всему комплексу параметров.

В целом, выбор стратегии создания электромобилей на основе аккумуляторов был недостаточно продуман. Обычно при создании аккумуляторного электромобиля говорят о необходимости «демонстрации

идеи», отработки технического решения по какому-либо узлу. Однако

I

массовое увлечение демонстрационными проектами привело к дискредитации электромобильной техники в целом в общественном сознании.

Транспорт один из основных загрязнителей атмосферного воздуха. По данным МПР России [66] его доля в общем объеме выбросов

I

загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных и подвижных источников по России составляет 42,6% (2011 год), что выше, чем доля любой из отраслей промышленности (рис. 1.1 и таблица 1.1). По видам транспорта выбросы загрязняющих веществ распределяются следующим образом: 94,57% от общего выброса приходится на автомобильный транспорт, 1,61% - на дорожные машины; 1,53% - на железнодорожный; 1,21% - на речной и морской и около 1,08% - на воздушный транспорт [66].

I

тыс. т

16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0

Рис. 1.1 Величины выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от основных отраслей-загрязнителей (2011 г.): 1 - автомобильный транспорт; 2 - электроэнергетика; 3 - цветная металлургия; 4 - черная металлургия; 5 -нефтедобывающая промышленность; 6 - угольная промышленность; 7 -нефтеперерабатывающая промышленность; 8 - газовая промышленность; 9 -химическая и нефтехимическая промышленность; 10 - машиностроение

! I

Таблица 1.1 Выбросы загрязняющих веществ транспортными средствами в

2011 г., тыс. т [66]

Вид транспорта СО, Спнт N0, С 802 РЬ Всего

Автомобильный 10890 1535 1601 19,1 120 2,61 14167,71

Речной 16,2 12,1 46,1 4,9 1 16,2 - 95,5

Морской 12,1 8,3 30,6 2,7 31,7 - 85,4

Воздушный 60 14 72 7 16 - 162

Железнодорожный 32,9 16,3 119,5 7,3 - 1 176,0

Промышленный железнодорожный 8,4 , 5,8 37 1,8 53

Дорожные машины 133 26 67 5,8 9,4 0,04 241,24

Итого 11152,6 1617,5 1973,2 41,6 193,3 2,65, 14981

Транспортный комплекс России продолжает развиваться. Вредному воздействию загрязнения воздуха транспортными выбросами на уровне повышенного и недопустимо высокого риска для здоровья подвергаются не

I

менее 15 млн. горожан.

Доля автотранспорта Москвы в загрязнении атмосферного воздуха достигает 85-90 %. Транспортный комплекс сохраняет лидирующее положение в шумовом воздействии на население. В зонах сверхнормативного загрязнения атмосферного воздуха проживает примерно 10-15 млн. горожан, а численность населения, находящегося в зонах с превышением допустимого уровня шума на 5-30 дБА, составляет не менее 30 млн. человек.

I

Оценки риска заболевания населения в масштабах страны показывают, что под воздействием выбросов транспортного комплекса ежегодно онкологическим заболеваниям могут подвергаться дополнительно примерно 1000 человек городского населения. Вероятное количество людей,

I

ю . '

подверженных неонкологическим заболеваниям (прежде всего заболеваниям верхних дыхательных путей) в связи с загрязнением воздуха транспортными

I

выбросами, достигает нескольких миллионов человек [66, 18, 37, 67, 95, 122, 134, 135, 147, 150, 169].

В 2011 г. численность автомобильного • парка возросла на 3,9% и составила 26,4 млн. автотранспортных средств, включая 21,23 млн. легковых автомобилей, 4,5 млн. грузовых автомобилей (менее 3 тонн составляют 25 % парка, от 3 до 6 тонн - 60 % и более 6 тонн - 15 %) и 0,663 млн. автобусов. Средний возраст автомобильного парка остаемся значительным и составляет в целом по стране около 10,5 лет, а в отдельных регионах России - от 9,4 до

1 I

13,6 лет (таблицы 1.2 и 1.3).

Таблица 1.2 Объемы среднесуточных выбросов основных компонентов вредных веществ различных видов транспорта города Москвы в 2011 году

[66]

Тип автомобиля Среднесуточный валовой выброс т/сутки

СО СХНХ NOx Тв. частиц Итого по видам транспорта

Легковые 1382 268,7 142,4 1 1793,1

Грузовые 471,5 , 50,3 109,3 4,8 635,9

Автобусы 254,3 38,4 96,7 , 6'2 395,6

Итого по компонентам 2107,8 357,4 348,4 11,0 2824,6

На основе статистической отчетности ГИБДД ГУВД г. Москвы доля автотранспортных средств, соответствующих требованиям Евро-1 и выше, составляет менее 20 %; структура топливопотребления легковыми

I

автомобилями с бензиновыми двигателями составляют 94% парка, с дизелями - 1 %; грузовые автомобили/автобусу с бензиновыми двигателями - 60 %/24 %, с дизелями - 38 %/75 %; с газовыми двигателями 2 %/1 %; государственный экологический контроль охватывает около 90 % парка автотранспортных средств (таблицы 1.2 и 1.3) (Приложение 1).

Таблица 1.3 Состав автомобильного парка города Москвы [66]

Тип автомобиля 1 Топливо Годовой пробег, км Средние выбросы вредных веществ г/км

СО СН мох ТВ. ч.

Легковые бензин 16000 16 3,5 2 0

Грузовые бензин , 40000 84 13 8 0

1 Грузовые дизельное 40000 9,5 ' 3,5 16 0,6

| Автобус бензин 54000 84 13 8 0

! Автобус дизельное 54000 9,5 3,5 16 0,6

В условиях слабой организации сбора и утилизации брошенных и разукомплектованных автомобилей (ежегодно примерно 1,2 млн. ед.) обостряется проблема захламления городских территорий, загрязнения почв и водных объектов отходами автотранспорта [66].

На рисунке 1.2 приведен расход энергии в отдельных стадиях продолжительности жизненного цикла (ПЖЦ) автомобиля. Наибольшие затраты энергии приходятся на стадию эксплуатации автомобиля. Затраты энергии на стадии производства (включающей добычу сырья, производство материалов, топлива и изготовление автомобиля) составляют 45% от затрат энергии при эксплуатации автомобиля [66]. 1

При исследовании токсических веществ, выбрасываемых автотранспортными дизелями, установлено, что наибольшее количество бензпирена (самого опа.сного вещества)1 выделяется на неустановившихся режимах работы и на холостом ходу. Известно (таблица 1.4), что превалирующим в эксплуатации транспортного средства является

I

неустановившийся режим работы двигателя, он составляет 90...97% в условиях интенсивного городского движения, 90...95% при движении по грунтовым дорогам, 30...35% всего времени движения автомобиля на

I

загородных магистралях. Используемая мощность двигателя составляет 13... 78% от номинальной.

Таблица 1.4 Влияние режима движения автомобилей на эмиссию вредных

веществ [66]

Режим работы две Доля режимов, %

По времени По объемам ОГ По расходу топлива СО сн N0,

Холостой ход 39,5 10 15 13-25 15-18 -

Разгон 18,5 45 35 1 29-32 27-30 75-86

Установившееся движение 29,2 40 37 32-43 19-35 13-23

Торможение 12,8 5 | 13 10-13 23-32 0-1,5

Именно ужесточение экологических требований способствует экологизации транспорта и переход на другие, альтернативные виды топлива,

I

такие как газ (метан, водород и др.), спирт (тростниковый и др.), биомасса (рапс и др.) и электричество.

I

Переходные процессы, возникающие в транспортном средстве при движении, описываются тягово-динамическим (расчетом. Для движения с

!

экономии при рециклировании), показал, что для обеспечения жизненного цикла (пробег 193 тыс. км) даже более тяжелого (на 227 кг тяжелее, чем базовый автомобиль массой 1160 кг) и комплектацией электромобиля никель-металлгидридной аккумуляторной батареей, требуется на 25% меньше энергии, чем для аналогичного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания [77]. Наибольшую часть общей энергии, обеспечивающей жизн