Введение к работе
Актуальпость темы. В связи с резким ухудшением мировой экологической обстановки и сокращением ресурсов нефтепродуктов - источника топлива для автомобильного транспорта, все большую актуальность приобретают работы по разработке и созданию экологически чистых транспортных средств (ТС) с использованием альтернативных бортовых источников энергии различной физической природы. Таким ТС должен стать электромобиль (ЭМ). Одним пз перспективных видов энергии, пригодным для использования в ЭМ, является солнечная энергия. Солнечная энергия, преобразуемая в электрическую посредством солнечной батареи (СБ), накапливается в тяговой аккумуляторной батарее (ТАБ) ЭМ, или непосредственно подпитывает его тяговую систему. ЭМ, использующий солнечігую энергию для дополнительного питания своего тягового электродвигателя (ТЭД), называется солнцемобилем (СМ). Сдерживающими факторами широкомасштабного использования СМ в городских условиях движения являются высокая стоимость и низкий КПД СБ. Однако в течение последнего десятилетия наблюдается тенденцій непрерывного снижения стоимости СБ при повышении их эффективности. Стала актуальной проблема создания легких СМ для внутригородских перевозок.
Цель к задачи работы. Целью исследования диссертационной работы является проведение кттлексных исследований взаимосвязей и процессов в СМ, позволяющих обеспечить его конкурентоспособность путем рационализации работы комбинированной энергоустановки (КЭУ), включающей СБ и ТАБ, и создания экономичных алгоритмов управления электроприводам. Это позволит создать легкий СМ для городское транспортных потоков.
Соответствутоодсе;, сформулированной цели и решенные в диссертационной работе задачи определены следующим образом:
анализ тенденций развития солкцемобияей и его подсистем и обоснование целесообразности создания городского селнцемобиля;
- оценка моделей солнечных элементов (СЭ) и создание математической модели СБ
с учетом метеорологических условий и скорости движения СМ;
уточнение аппроксш.Сфованных описаний ТАБ и разработка математической модели, обеспечивающих адекватность воспроизведения их реальных характеристик при разряде от самых малых до токов короткого замыкания; разработка математической модели городского СМ для комплексных исследований его эксплуатационных свойств с учетом дорожгю-экеггдуатациокных условий,
- разработка рационального алгоритма управления совместной работой СБ и ТАБ в
составе КЭУ с целью повышения энергетической эффективности городского СМ;
создание методики исследования релейного тягового электропривода с использова
нием динамических механических характеристик и разработка алгоритма статиче
ской оптимизации дополнительных потерь.
Методы исследования. Исследования взаимосвязей и процессов в СМ осуществлены методом "математического моделирования с использованием основных положений теории автомобиля, электропривода и автоматического управления. Выявленные количественные взаимосвязи между параметрами исследуемых источников энергии и тягового электропривода представлены в аналитическом виде, графической интерпрета-
цией, алгоритмами и программным обеспечением. Результаты и выводы работы теоретически обоснованы и подтверждены в необходимых случаях экспериментами. Основные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель городского солнцемобиля с рациональной совместной работой СБ и ТАБ и рациональными установленными взаимосвязями в нем;
-
Новая математическая модель СБ, адаптированная к транспортным потокам;
-
Математическая модель ТАБ, описывающая ее разрядные процессы от самых малых до токов короткого замыкания;
-
Поисковый алгоритм оптимального регулирования мощности СБ с уменьшением числа итераций определения оптимума;
-
Алгоритм расчета рабочих характеристик СБ городского солнцемобиля с учетом метеорологических условий.
Обоснованность и достоверность научных положений и результатов. Обоснованность научных выводов и результатов работы, полученных на основе математического моделирования СМ и его подсистем подтверждается хорошей сходимостью полученных данных с результатами экспериментальных испыганий различных фирм, производящих СБ и ТАБ, а также с параметрами натурных испытаний релейного электропривода ЭМ на стендах отдела испытаний электроприводов ОАО «АвтоВАЗ».
Научная новизна работы. Для городских солнцемобилей разработаны: математическая модель городского СМ со следующими отличительными особенностями: рациональной совместней работой СБ и ТАБ; установленными рациональными взаимосвязями в городсхом солнцемобиле;
новая математическая модель СБ на базе предложенной упрощенной модели СЭ с учетом изменения освещенности, температуры окружающей среды и скорости движения СМ, адаптированная к транспортным условиям эксплуатации;
математическая модель ТАБ, описывающая ее разрядные процессы от самых малых до токов короткого замыкания;
поисковый алгоритм оптимального регулирования мощности СБ со способами уменьшения числа итераций определения оптимума;
алгоритм статической оіггимюации процессов энергопреобразования в релейном электроприводе со стабилизацией пульсаций тока якоря по минимуму потерь; методика предварительного определения массогабаритных показателей СБ и ТАБ с целью обеспечения заданных эксплуатациошплх свойств СМ.
Практическая ценность работы заключается в разработке: алгоритма расчета солнечной батареи городского солнцемобиля с определением ее основных параметров и характеристик с учетом метеорологических условий и скорости движения СМ;
методики построения структуры КЭУ в составе ТАБ и СБ с обоснованием рациональных режимов совместной работы двух источников;
методики расчета основных параметров городского солнцемобиля и его силовых агрегатов, удовлетворяющих заданным экегшуатациоппым услозиям;
программы расчета потребительских и эксплуатационных свойств городского солнцемобиля для стандартных ездовых циклов.
Результаты работы создают основу для технической реализации СМ с КЭУ, включающей СБ и ТАБ. Разработанная математическая модель СМ использована в инженерной практике и в учебном процессе.
Реалгоация результатов. Полученные результаты теоретических исследований і расчетных данных, разработанные математическая модель и программное обеспечение гепользованы при разработке перспективных транспортных средств с тяговыми щектроприводами в отделе электромобилей НИИАЭ и конструкторском бюро (Автодизайн» при ОАО «АвтоВАЗ», и в учебном процессе МАМИ и ТолПИ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и >дрбрены на 8 научных конференциях, в том числе на: Международной научно-техни-іеской конференции «100 лет Российскому автомобилю. Промышленность и высшая пкола» (г. Москва, 1996 г.); Всероссийском электротехническом конгрессе с междуна-юдным участием «На рубеже веков: итоги и перспективы» (г. Москва, 1999г.); 4-й меж-гународной научно-технической конференции «Нетрадиционные электромеханические и ілектрические системы» (г. С. Петербург, 1999 г.); Мех<дународном научном симпозиуме (Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа» (г. Москва, 1999 г.); Между-гародном симпозиуме «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и юдготовки кадров» (г. Москва, 2000г.);
Публикация. По теме диссертации опубликовано 29 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав ; выводами по каждой главе, заключения, списка использованной литературы и 2 при-южения. Результаты изложены на 227 страницах машинописного текста, юглюстриро-іанного 50 таблицами, 95 рисунками.