Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ развития электромобилей с комбинированными энергетическими установками . 11
1.1. Анализ состояния электромобилестроения 11
1.2. Характеристика и тенденция развития бортовых источников энергии различной физической природы 18
1.3. Комбинированные энергетические установки электромобилей... 30
1.4. Современные системы импульсного регулирования в тяговых электроприводах 44
1.5. Цель и задачи исследований 47
1.6. Выводы 47
ГЛАВА 2. Солнечная батарея как перспективный источник. Разработка математических моделей 51
2.1. Тенденция развития солнечных батарей 51
2.2. Основные характеристики солнечных батарей наземного применения 59
2.3. Математическое моделирование солнечной батареи 63
2.4. Перспективные разработки солнечных батарей с высокими удельными характеристиками 78
2.5. Выводы 80
ГЛАВА 3. Взаимосвязи, процессы и закономерности в электромобилях с комбинированными энергоустановками 81
3.1. Уравнения взаимосвязей, процессов и закономерностей в электромобиле 83
3.2. Тягово-динамический расчет электромобиля и выбор параметров силового оборудования 86-
3.3. Расчет параметров и характеристик комбинированных энергоустановок 94
3.4. Математическая модель электромобиля с комбинированной энергетической установкой 101
3.5. Моделирование бортовых источников энергии 108
3.6. Подмодель электропривода и системы управления движением ЭМ 118
3.7. Подмодель условия движения электромобиля 125
3.8. Технико-эксплуатационные показатели электромобиля с комбинированной энергетической установкой ] 28
3.9. Проверка адекватности разработанной обобщенной ма тематической модели 132
3.10 Выводы 140
ГЛАВА 4. Рациональные алгоритмы импульсного регулирования характеристик тягового электропривода 141
4.1. Построение рациональных схем управления тяговыми электродвигателями 141
4.2. Алгоритмы широтно-частотного регулирования по минимуму коммутационных и пульсационных потерь 146
4.3. Установление взаимосвязей технико-эксплуатационных показателей ЭМ с КЭУ с параметрами его элементов и условия движения.. 155
4.4. Исследование пульсационных потерь в аккумуляторной батарее 170
4.5. Выводы 177
ГЛАВА 5. Экспериментальное исследование электромобилей с комбинированными энергетическими установками на базе разработанной обобщенной математической модели 180
5.1. Компоновка электромобиля с комбинированной энергетической установкой... 180
5.2. Исследование взаимосвязей, процессов и закономерностей в электромобиле с комбинированной энергетической установкой... 184
5.3. Сравнительная оценка технико-эксплуатационных показателей электромобиля с комбинированной энергетической установкой 199
5.4. Выводы 203
Заключение 205
Список литературы 209
Приложение №1 221
Приложение №2 252
Приложение №3 263
- Характеристика и тенденция развития бортовых источников энергии различной физической природы
- Основные характеристики солнечных батарей наземного применения
- Уравнения взаимосвязей, процессов и закономерностей в электромобиле
- Алгоритмы широтно-частотного регулирования по минимуму коммутационных и пульсационных потерь
Введение к работе
Актуальность темы. Работы по изучению и созданию комбинированной энергетической установки (КЭУ) экологически чистого транспортного средства (ТС), состоящей из бортовых источников энергии различной физической природы (БИЭРФП), за последние 15 лет фактически выделились в самостоятельное направление современной электромеханики, характеризующейся своей научной проблематикой, спецификой выполнения прикладных исследований, расширяющейся областью практического использования разработок. Повышенный интерес к этим работам обусловлен тем, что в связи с резким ухудшением мировой экологической обстановки и сокращением природных ресурсов-источников топлива для автомобилей все большую актуальность приобретает разработка экологически чистых ТС, применяющих альтернативные источники энергии. Таким ТС призван стать электромобиль (ЭМ).
Анализ литературных источников показывает, что разработка и создание ЭМ в основном определяется энергетической установкой (ЭУ), питающей тяговый электродвигатель (ТЭД).
Проблема математического моделирования комбинированной энергетической установки (КЭУ) остается одной из наиболее сложных и наименее исследованных как в методологическом аспекте, так и с точки зрения разработки эффективного информационного обеспечения творческих процедур поиска моделирования решений. Поэтому поиск и разработку новых подходов к решению задач структурного синтеза, которые составляют основу математического моделирования, следует рассматривать как одно из наиболее актуальных направлений на пути разработки современных экологически чистых автотранспортных средств (АТС) В диссертации впервые обоснована и изложена концепция системного подхода к решению поисковых задач по созданию КЭУ экологически чистого ТС, включающей тяговую аккумуляторную батарею (ТАБ), емкостной накопитель энергии (ЕНЭ), солнечную батарею (СБ). Теоретическое обос нование КЭУ для ЭМ по своей научной и практической значимости можно охарактеризовать как новое научное направление, связанное с созданием человеко-машинных диалоговых систем математического моделирования, ориентированных на совместное использование знаний и опыта исследователя и возможностей современных ЭВМ.
Цель и задачи исследования
Выполненный аналитический обзор современного состояния элек-тромобилестроения, тенденций развития бортовых источников энергии и создания на их основе комбинированных источников энергии, а также современных импульсных систем управления и регулирования можно сформулировать основную концепцию диссертационной работы как:
выявление особенностей процессов энергопреобразования и установление рациональной совокупности взаимосвязей и закономерностей между БИЭРФП в КЭУ электромобиля, обеспечивающей повышенные технико- эксплуатационные показатели электромобилей малого класса.
Для достижения поставленной цели необходимо провести комплексные исследования технических характеристик современных и перспективных БИЭРФП, выявить функциональные задачи каждого источника энергии, включенного в рассматриваемый состав КЭУ, в различных фазах циклического движения электромобиля и определить основные требования к тяговому электроприводу.
Поэтому можно сформулировать следующие задачи исследования:
анализ современного состояния и перспектив развития электромо-билестроения и бортовых источников энергии различной физической природы;
разработка обобщенной математической модели (ОММ) электромобиля с комбинированной энергетической установкой, включающей солнечную батарею;
проведение комплексных исследований с помощью ОММ для выявления и рационализации совокупности взаимосвязей, процессов и закономерностей энергопреобразования в электромобиле и его подсистемах; -исследование и разработка рациональных алгоритмов импульсного управления и регулирования тяговым электроприводом с минимизацией потерь;
формирование функциональных требований к БИЭРФП при различных вариантах их компоновки в составе КЭУ электромобиля;
выполнение сравнительного анализа технико-эксплуатационных показателей и разработка рекомендаций по их улучшению для электромобилей малого класса.
Методика проведения исследований. Аналитические исследования взаимосвязей, процессов и закономерностей в КЭУ ЭМ осуществлены гра-фо-аналитическим методом с использованием основных положений и теорий электромобиля, электропривода, автоматического управления и методом математического моделирования. Выявленные количественные взаимосвязи между параметрами исследуемых источников энергии и ТЭП представлены в аналитическом виде, графической интерпретацией и алгоритмами. Результаты и выводы работы теоретически обоснованы и подтверждены расчетами.
Основные положения, выносимые на защиту:
Подмодель СБ для наземных транспортных средств.
Математическая модель КЭУ, включающая СБ.
Выявленная взаимосвязь и рационализация процессов энергопреобразования между источниками электрической энергии, ТЭП и динамикой движения ЭМ в течение цикла.
Разработанная структурная схема КЭУ и ТЭП для ЭМ.
Результаты аналитических и расчетных исследований КЭУ и ЭМ в целом. Связь работы с тематикой университета. Тема диссертационной работы уточнена и утверждена на заседании Ученого Совета факультета ЭМиП (протокол № 3 от 16 октября 1994 г.). Работа выполнялась в рамках научно-исследовательской работы кафедры ЭКЭМС МАМИ (отчет по исследованиям в рамках конкурса грантов 1996г.).
Обоснованность и достоверность научных положений и результатов
Обоснованность научных выводов и результатов работы подтверждается результатами математического моделирования, хорошей сходимостью полученных аналитических данных с данными экспериментальных испытаний СБ на НПО "Квант", ОАО "Позит", а также с результатами испытаний отдельных подсистем опытных образцом электромобилей на АО "Авто-ВАЗ".
Научная новизна диссертационной работы
Разработана новая математическая модель ЭМ с КЭУ, включающей СБ.
Установлены и рационализированы основные закономерности, взаимосвязи и процессы энергообмена и энергопреобразования в подсистемах ЭМ с КЭУ.
Разработан экономичный алгоритм импульсного управления и регулирования электропривода ЭМ с автономными источниками электрической энергии.
Сформулированы обоснованные требования к СБ, предназначенной для эксплуатации на ЭМ.
В совокупности основные положения диссертационной работы представляют собой дальнейшее развитие теории электромобилестроения с автономными источниками питания.
Практическая значимость. Результаты работы создают основу для технической реализации ЭМ с КЭУ, включающей СБ.
Разработанная математическая модель ЭМ с КЭУ, включающей СБ, может быть использована в инженерной практике и программно реализована на микропроцессорном устройстве.
Реализация результатов. Полученные результаты теоретических исследований и практических расчетных данных, разработанные математическая модель и программное обеспечение использованы при разработке ЭМ на АО "Авто-ВАЗ", НАМИ, НИИ "Автоэлектроника", а также в учебном процессе МАМИ и ТолПИ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и одобрены на 13 научных конференциях и семинарах, в том числе на:
научно-технической конференции (г. Тольятти, 1994 г.);
-1 Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (МКЭЭ-94), г. Суздаль, 1994 г.;
8-м Международном семинаре (г. Харьков, 1995 г.);
Научно-технической конференции (г. Суздаль, 1995 г.);
8-м Международном семинаре (г. Алушта, 1995 г.);
1-й Межвузовской конференции (г.Москва, 1996 г.);
9-м Международном семинаре (г. Алушта, 1996 г.);
Научно-технической конференции с международным участием (г. Ульяновск, 1996 г.);
9-й Международной конференции (г. Алушта, 1996 г.);
Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию Российского автомобиля (г. Москва, 1996 г.);
6-й Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию МИИТ (г. Москва, 1996 г.);
Публикации. Список научных трудов по диссертационной работе составляет 24 наименования, в том числе: 7 научных статей, 16 тезисов докладов, 1 научно-технический отчет по НИР.
Структура и объем диссертации. Результаты изложены на 266 страницах машинописного текста, иллюстрированного 26 таблицами, 57 рисунками.
Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами по каждой главе, заключения, списка использованной литературы и приложений № 1,2,3.
Характеристика и тенденция развития бортовых источников энергии различной физической природы
Возможны различные варианты работы: на электроприводе, на газовой турбине и совместная их работа.
Особым преимуществом газовой турбины является способность работать на разных видах топлива. При средних и больших нагрузках она обладает хорошим коэффициентом полезного действия. Характеристика крутящего момента соответствует характеристике обычного карбюраторного двигателя. Это сделано специально с тем, чтобы водителю не требовалось особых навыков. Газовая турбина соединена с генератором общим валом, частота вращения которого достигает 90 000 об/мин. Для охлаждения генератора используют воздух, который всасывает турбина. Электродвигатель имеет максимальную мощность 70 кВт, в длительном режиме - 50 кВт. Вращение от него передается на автоматическую 2-ступенчатую коробку передач с передаточными числами 3.278 и 1.962, далее на главную передачу с передаточным числом 4. Аккумуляторные батареи никель-кадмиевые с энергетической емкостью 16.8 кВтч. Запуск комбинированного электромобиля осуществляется обычно - поворотом ключа. В период пуска, который длится порядка 10 сек, частота вращения вала газовой турбины доводится до 44 000 об/мин, после чего выключается подача дизельного топлива и зажигания. Если тяговые батареи в этот момент достаточно заряжены, то для движения включается электропривод. В противном случае ведущие колеса приводятся во вращение от электродвигателя, но уже питаемого от генератора при работе газовой турбины. При этом одновременно осуществляется зарядка батареи. После полной зарядки автоматически включается электропривод. Для получения совместной большой мощности турбина и батарея работают одновременно, что позволяет достигнуть скорости 100 км/ч за 13 сек и развить наибольшую скорость 175 км/ч. 80 % энергии батарей обеспечивают запас хода 85 км, а при постоянной скорости 50 км/ч - 140 км. Подключение в работу турбины с заправочным объемом 35 л доводит это значение до 670 км. Расход дизельного топлива в городском режиме 6 л на 100 км, при постоянной скорости 90 км/ч -5.2 л.
Создание электромобилей идет по трем направлениям: - частичное конвертирование, т.е. разработка электромобилей на базе серийных автомобилей, где из серийного автомобиля исключается трансмиссия и устанавливается тяговый электропривод с ТАБ; - глубокая конвертация - в данном случае из серийного автомобиля задействуются только шасси, а в остальном разработка ведется по индивидуальному проекту; - разработка принципиально новой конструкции [29,32, 87,94]. На основе данных, опубликованных в зарубежных и отечественных источниках информации, можно сделать вывод, что для большинства фирм, использование базовой конструкции вызвано лишь экономическими соображениями, так как электрическая часть электромобиля не обеспечивает удовлетворительного уровня потребительских технических характеристик и поэтому не было бы смысла затрачивать средства на механические узлы. Поэтому, как правило, производится замена ДВС на электропривод. Изменения в других узлах автомобиля практически не делаются, не считая кузова, где возможны серьезные доработки, вызванные, в основном, лишь проблемами размещения электрических блоков и аккумуляторных батарей. Как правило, такие электромобили становятся тяжелее базового автомобиля. Поэтому приходится ограничивать число посадочных мест. Порой 5-местные автомобили превращаются в 2-местные. На месте задних сидений размещаются аккумуляторные батареи, или становится возможным размещение на задних сидениях лишь детей, так как сидения приподнимаются на некоторое расстояние для установки под ними батарей. Размещение батарей вдоль оси электромобиля разделяет задние сидения пополам, что также ухудшает потребительские качества электромобилей. Большая масса отрицательно сказывается на динамике движения, скорости и запасе хода. Несмотря на указанные недостатки, работы по таким электромобилям ведутся и, судя по результатам обобщенных данных, будут продолжаться.
Разработка принципиально новой конструкции позволяет лучше скомпоновать электромобиль, снизить вес кузова и шасси, что положительно сказывается на его эксплуатационных свойствах. Однако при этом требуются большие первоначальные вложения средств, которые окупятся лишь при достаточно больших объемах реализации.
Широкие исследования в настоящее время проводятся в мире по созданию комбинированной энергетической установки (КЭУ), включающей тяговую аккумуляторную батарею (ТАБ), емкостной накопитель энергии (ЕНЭ), солнечную батарею (СБ), электрохимический генератор (ЭХГ), термоэлектрический генератор (ТЭГ), при различных вариантах их сочетания [32]. Проводимые исследования по созданию и усовершенствованию новых нетрадиционных источников электрической энергии для транспортных средств, снижение стоимости 1 ВТ полученной энергии дают положительные прогнозы на применение в широких масштабах в городском потоке электромобилей [87].
С учетом опыта ведущих зарубежных фирм в России разработана программа поэтапного введения более жестких норм по токсичности автотранспортных средств. Исследовательские работы по созданию электромобиля в России осуществляются согласно ГНТП Миннауки РФ "Высокоскоростной экологически чистый транспорт", индивидуальных программ ГНЦ НАМИ, МАМИ, МАДИ, ГНПП "Квант", МЭИ, АО ГАЗ, НПК "Альтен", НПФ "Кварк", НПО "Муссон", НПО "Автоэлектроника", ОАО "АвтоВАЗ" и др. Решение задач намеченных планов и принятие соответствующих законодательных, руководящих нормативных и сертификационных документов позволяют электромобилю стать конкурентоспособным на рынке сбыта и в эксплуатации.
Основные характеристики солнечных батарей наземного применения
Солнечная батарея (СБ) является преобразователем солнечной энергии в электрическую. Известны два способа такого преобразования: термодинамический, используемый в системах солнечного теплоснабжения и фотоэлектрический, который может быть использован в комбинированной энергоустановке ЭМ. Развитие фотоэлектрических преобразователей и фотоэлектрических систем, незначительные затраты на их эксплуатацию вызвали интерес к созданию КЭУ с применением СБ [34, 35].
Важнейшими этапами в развитии солнечной энергетики в последние годы являлись: Создание кремниевых солнечных элементов (СЭ), прозрачных в ИК-области спектра. Такая модель солнечных элементов в отличие от известных ранее, предполагает, что ИК-излучение с энергией hv 1,1 эв не поглощается в материале элемента, приводя к его перегреву, а пропускается сквозь элемент, что обеспечивает понижение равновесной рабочей температуры СБ при их работе на 15-20 С. В свою очередь, с учетом отрицательного температурного градиента оптимальной мощности кремниевых СЭ - 0.5 %/С это дает возможность повысить удельную мощность СБ на 10%. Дополнительным преимуществом является снижение диапазона термоциклических нагрузок, которым подвергаются СБ при работе, что обеспечивает повышение надежности и ресурса.
Реализация новой модели СЭ на практике потребовала существенного изменения его конструкции. Так, впервые сплошное металлизированное покрытие на тыльной стороне СЭ было заменено сетчатым контактом, аналогичным контактной структуре на рабочей поверхности. Для лучшего вывода излучения, прошедшего сквозь СЭ, на его тыльную поверхность наносилось специальное просветляющее покрытие.
Данная разработка явилась развитием рассмотренной выше модели СЭ, прозрачного в ИК-области спектра. Используя п+ - р - р+ структуру, на фронтальную и тыльную поверхности которой нанесены симметричные гребенчатые контакты, можно получить высокую эффективность преобразования светового излучения, поступающего одновременно или попеременно на обе ее противоположные поверхности, т.е. такой СЭ может работать при освещении отдельно с каждой из сторон или одновременно с обеих. Физической основой достижения высокой эффективности при освещении с тыльной стороны (сторона р+ - р перехода) является выполнение условия d/L 1, где d - толщина базы СЭ, L - диффузионная длина основных носителей заряда в ней. При выполнении этого условия, а также требований к толщине р+ - области (0.1 мкм) и концентрации примеси в ней - 1020 см"3 достигаются фототок и к.п.д. при освещении с тыльной стороны 80% от тех же параметров СЭ, освещенного с лицевой стороны при толщине СЭ 300 мкм. Двусторонние солнечные элементы сохраняют преимущества СЭ, прозрачных в ИК-области спектра по равновесной рабочей температуре, поскольку прозрачны для нефотоактивной инфракрасной области солнечного спектра (1,1-1,2 мкм).
Основная современная тенденция - снижение веса СБ за счет перехода на "тонкие" и "сверхтонкие" СЭ (d = 100 мкм и менее) в наибольшей степени отвечает физической модели двустороннего СЭ, также требующей уменьшения его толщины. Так, уже при толщине d = 150 мкм возможно получение одинаковой чувствительности СЭ с обеих сторон. При средней величине отраженного от Земли прямого солнечного излучения - 28 БЗ 34 % это приведет к аналогичному приросту мощности СБ.
Основные преимущества солнечных панелей на основе арсенида галлия по сравнению с кремниевыми: большой начальный к.п.д., вдвое меньше потери при возрастании рабочей температуры, достаточно большая радиационная стабильность. В совокупности эти факторы делают арсенид-галлиевые солнечные панели предпочтительными, особенно для аппаратов с большим сроком активного существования. Преимущества арсенид-галлиевых панелей во многих случаях доминируют несмотря на присущие недостатки: больший, по сравнению с кремнием, удельный вес и большую начальную стоимость. Речь идет о том конечном выигрыше, который мо-жет получить потребитель по основным характеристикам (Вт/м , Вт/кг, стоимость/Вт), используя арсенид-галлиевые панели в течение длительного срока на аппаратах различного назначения.
Данная разработка относится к области создания нового поколения панелей СБ, действующих на различных орбитах. Его основная направленность - создание ультралегких панелей с максимальным отношением уровне достигнутого к.п.д. 10% возможно получение промежуточного результата по энерго-массовой характеристике: 500- 700 Вт/кг Ї СБ из монокристаллического кремния имеют 100-ГІ20 Вт/кг при к.п.д. 15%). Что касается наземного применения СЭ на основе аморфного кремния, то достигнутые в лабораторных условиях "Совлакс" к.п.д. составляет 13,7 «(при AM - 1,5 и Т - 25 С). При массовом производстве планируется к.п.д. на уровне 8-9 %, Деградация СБ после 600 час выдержки при однократной интенсивности солнечного излучения (при Т = 50 С) измеренная независимой фирмой ECD (США) составляет 8 %. За счет внедрения автоматизированного процесса производства наземных СБ аморфного типа предполагается также существенное снижение стоимости ватта электроэнергии по сравнению с обычными кремниевыми батареями. Основные направления работ по СБ: а) физические и технологические исследования, направленные на дальнейшее повышение эффективности солнечных батарей ((до значений больших 20 %); б) создание непрерывных замкнутых экологически чистых техноло гий производства тонкопленочных СБ с минимальным расходом исходного сырья для доведения стоимости вырабатываемой электроэнергии до \-ровня традиционных источников; в) создание и реализация конструкций для перечисленных задач.
Уравнения взаимосвязей, процессов и закономерностей в электромобиле
Технико-эксплуатационные показатели электромобиля в значительной степени зависят от рациональности использования его бортового источника энергии. Расход электрической энергии определяется конструкцией, составными элементами энергоустановки в целом, а также режимами и условиями движения транспортного средства. Энергия, передаваемая от энергетической установки электроприводу, определяется вольт-амперными характеристиками источников, входящих в состав КЭУ. Примененный графический метод решения задачи по определению параметров питания тягового электропривода от КЭУ дает возможность определить перераспределение нагрузки между составными элементами, входящими в КЭУ. Кроме того, данный метод позволяет вывести уравнения, необходимые для аналитического решения задачи вычислительными средствами индивидуального пользователя. Простота вычислительного алгоритма позволяет в реальном масштабе времени определить основные параметры КЭУ и взаимосвязи ее составных элементов в каждый момент времени и наглядно демонстрирует перераспределение нагрузки между ними [105].
Поэтому структура и эффективность КЭУ ЭМ определяются ее назначением, составом, энергетическими характеристиками, коэффициентом полезного действия (КПД), показателями надежности и технико-экономическими показателями, в том числе и суммарными затратами, связанными со стоимостью и эксплуатацией. В связи с этим, при разработке и проектировании ЭУ ЭМ необходим, прежде всего, поиск наиболее рациональных сочетаний источников тока и оборудования, т.е. оптимизация ЭУ из перспективных источников и преобразователей электрической энергии в различных режимах работы. Оптимизация ЭУ для основных и дополнительных режимов работы ЭМ может осуществляться поэтапно с использованием моделирования процессов движения. На первом этапе, исходя из назначения ЭМ, определяется состав ЭУ с учетом параметров реально существующих и перспективных источников энергии, ТЭП и возможностей вычислительной техники. В настоящее время разработан системный подход к решению поисковых задач по созданию комбинированной ЭУ, состоящей из тяговой аккумуляторной батареи (ТАБ), емкостного накопителя энергии (ЕНЭ) и солнечной батареи (СБ) (рис. 3.1) [99, 100, 105,115].
Проводимые исследования и полученные результаты при различных вариантах компоновки и режимов совместной работы бортовых источников энергии позволяют оценить возможность и целесообразность комбинированной энергетической установки (КЭУ) для ЭМ . Понятие "энергетика электромобиля с КЭУ" включает энергетические процессы, происходящие в КЭУ и на ВК, определяемые: - расходом энергии на движение ЭМ, компенсируемым за счет энергии, отдаваемой КЭУ; - отбором определенной доли энергии КЭУ на заряд ТАБ и ЕНЭ в процессе эксплуатации, что способствует повышению количества энергии, получаемой от КЭУ для целей тяги за время дневной работы, т.е. увеличению запаса хода электромобиля без дополнительного заряда ТАБ и ЕНЭ от внешнего источника энергии, а также поддержанию на заданном уровне динамических свойств ЭМ; - рекуперацией энергии на ТАБ и ЕНЭ при электрическом торможении. В энергетике ЭМ с КЭУ следует выделить две подсистемы: энергетику движения ЭМ и энергетику КЭУ. Аналитическим путем [45] может быть определена работа Ада, затрачиваемая на движение ЭМ с полным весом Ga и относящаяся ко всему перегону длиной Ln. Может быть также рассчитана энергия WTP, поступающая с ВК при рекуперационном торможении в ТАБ и ЕНЭ и используемая затем в режиме тяги. Энергия, затрачиваемая на движение ЭМ с КЭУ, может быть реализована при различном сочетании энергетических параметров КЭУ. Возникает вопрос о рациональном в данных условиях сочетании параметров, ответ на который требует анализа закономерностей, характеризующих энергетику КЭУ. При анализе энергетики КЭУ необходимо установить рациональные пределы, в которых может находиться мощность КЭУ. При движении ЭМ по ездовому циклу с максимальной установившейся скоростью V утах возможны два энергетических состояния КЭУ. Первое состояние характеризуется равенством мощности КЭУ (отнесенной к ВК) к значению мощности, потребляемой на ВК при максимальной установившейся скорости V ymtx . Мощность КЭУ достаточна для обеспечения движения ЭМ, но недостаточна для осуществления заряда ТАБ при VymiX . Заряд возможен после окончания режима тяги. Эту мощность КЭУ следует рассматривать как минимальную [17, 21, 32, 71]. Чтобы охарактеризовать второе энергетическое состояние КЭУ, предположим, что минимальная мощность несколько увеличена. Это создает некоторую избыточную мощность, которая не может быть реализована для целей тяги при движении со скоростью Vymx , следовательно, избыточная мощность будет расходоваться на заряд ТАБ и ЕНЭ. Если последовательно увеличивать минимальную мощность, то при некотором граничном значении будет достигнуто такое энергетическое состояние КЭУ, при котором развиваемая мощность достаточна не только для компенсации потребной мощности ВК при установившемся движении, но и для заряда ТАБ и ЕНЭ в пределах ездового цикла. Соответствующую второму энергетическому состоянию КЭУ мощность назовем максимальной. Она достаточна для того, чтобы КЭУ приобрела свойство автономности, тогда необходимость в заряде ТАБ и ЕНЭ от внешнего источника электроэнергии отпадает.
Алгоритмы широтно-частотного регулирования по минимуму коммутационных и пульсационных потерь
В настоящее время существенно улучшены технические характеристики щелочных батарей: серебряно-цинковых, никель-кадмиевых, никель-железных и никель-цинковых аккумуляторов с удельной энергоемкостью до 70 Втч/кг при сроке службы 800...2000 циклов, что обеспечивает запас хода ЭМ около 100 км при максимальной скорости 70-90 км/ч, при которых ЭМ разгоняется от 0 до 50 км/ч за 12-15 с. Проводятся широкие исследования по натриево-серным, литий-сульфид-железным, металло-воздушным АБ с удельной энергией до 220-350 Втч/кг и удельной мощностью 110-200 Вт/кг. Однако ТАБ даже с улучшенными энергетическими показателями не обеспечивают достаточную длину пробега ЭМ без перезаряда, а также ТАБ имеют относительно долгое время заряда (не менее 6-8 часов), что сдерживает в настоящее время широкомасштабное использование ЭМ. ЕНЭ и СБ в составе КЭУ предназначены для ускоренного подзаряда ТАБ. ЕНЭ в составе КЭУ применяются в качестве импульсного источника, способного быстро отдать ТАБ большое количество энергии в короткий промежуток времени и восстанавливающего свой заряд за счет энергии рекуперативного торможения и энергии СБ. Работая совместно с ТАБ в составе КЭУ, ЕНЭ снижает токовые перегрузки, т.е. степень разряженности ТАБ при пуске, разгоне и подъемах.
Разработанные технические требования и полученные результаты исследуемых БИЭРФП, обеспечивающих экологичному транспортному средству конкурентоспособность с автомобилем технико-эксплуатационные показатели, доказали целесообразность построения систем энергообеспечения из БИЭРФП, причем рациональные соотношения получаются в структурах таких КЭУ, которые включают бортовые источники энергии с резко отличающейся динамикой. Обоснована инженерная методика построения рациональной структуры энергообеспечения транспортных средств различного назначения, обеспечивающая им повышенные технико-эксплуатационные показатели.
Разработанная обобщенная математическая модель (рис. 3.5) составлена на основе структурного построения ЭМ с КЭУ по параллельной схеме. В данной обобщенной математической модели основные составные элементы представлены отдельными математическими подмоделями, вычисляющими требуемые параметры, задаваемые пользователем или получаемые от подмоделей других составных элементов КЭУ.
В зависимости от детализации рассматриваемого процесса отдельные составные элементы КЭУ могут быть в свою очередь расчленены и рассмотрены как совокупность алгоритмов, реализующих математические модели, входящих в их состав элементов. Достоинство такого моделирования всех процессов, происходящих в КЭУ ЭМ, состоит в том, что в процессе исследования отдельные алгоритмы моделирования могут быть уточнены, дополнены или изменены. Логика управления и формирования режимов работы ТЭД, АБ, ЕНЭ, СБ осуществляется по уравнениям связи.
Тяговые системы ЭМ различают по механическим трансмиссиям, со ставными частями которых являются или автоматическая коробка передач скоростей (автоматическая трансмиссия) или редуктор (редукторная трансмиссия). В ЭМ в основном, применяется одно двигательный вариант СТП. В этом приводе тяговый момент, развиваемый ТЭД, передается через редуктор на дифференциал, который распределяет момент по ведущим ко лесам. В качестве ТЭД широко применяются машины постоянного тока с независимым возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов, обусловленные рядом функциональных преимуществ: улучшается устой чивость и управляемость транспортного средства (особенно в режимах электрического торможения), расширяются пределы регулирования скоро сти и тяговых усилий, достигается лучшая динамика и повышается стабильность установленной скорости. Интенсивно ведутся исследовательские работы по созданию СТП на основе асинхронных двигателей из-за их бесспорных преимуществ: простоты технологической конструкции, энергетической эффективности и высокой надежности. Также уделяют внимание вентильным двигателям на основе синхронных двигателей, возбуждаемых от постоянных магнитов. Сложность, недостаточная надежность, низкие массогабаритные показатели и высокая начальная стоимость современных преобразователей удерживают от широкомасштабного внедрения тяговых систем переменного тока, несмотря на то, что на многих гоночных СМ используют двигатели переменного тока для обеспечения высокой скорости. В традиционных ЭМ в качестве силовых ключей БВП часто используются тиристоры. Однако последние достижения в области полупроводниковых приборов позволяют применение силовых транзисторов, запираемых тиристоров, что существенно снижает сложность силовых схем и повышает энергетическую эффективность, массогабаритные показатели, на-дежноср БВП. СТП современного ЭМ является сложным объектом управления с различными режимами работы. Кроме задачи выполнения требуемых тяго-во-скоростных качеств система управления должна обеспечить оптимальный режим работы ЭМ, как и оптимизация режимов движения по минимуму энергозатрат, максимальная рекуперация запасенной кинетической энергии, минимизация потерь энергопреобразования в СТП. Наличие СБ в ЭУ ЭМ требует решить ряд задач, связанных с колебанием выходных характеристик СБ в зависимости от изменения потока солнечного излучения и температуры окружающей среды. К таким задачам относятся задачи обеспечения максимальной вырабатываемой мощности СБ, оптимизации совместной работы СБ, АБ, БВП, ТЭД. Поэтому современные ЭМ часто оборудуются бортовыми микроЭВМ, обеспечивающими точный прогноз возможной дальности пробега и выбор оптимальных режимов работы ЭУ и СТП.
Весьма актуальны проблемы методологии исследований взаимосвязей и процессов, определяющих поведение ЭМ. Исследования технико-экономических характеристик СМ могут проводиться различными способами: с помощью натуральных испытаний, стендовых испытаний, математического моделирования. Среди них несомненно более экономичным оказывается способ математического моделирования. Следует отметить, что материальные затраты на натуральные или стендовые испытания ЭМ очень большие из-за высокой стоимости оборудования ЭМ, в частности СБ, БВП, электронные средства управления. В настоящее время разработанные математические модели СБ, АБ, ЕНЭ достаточно точно отражают их физическую сущность. В научно-технической литературе использование современных методов и средств исследований применительно к СТП ЭМ освещено недостаточно полно. Изучение весьма сложных электромагнитных, механических взаимосвязей в ЭМ настоятельно требует применения средств вычислительной техники и современных методов математического моделирования.
