Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАБОТ ПО ЭЛЕКТРОМОБИЛЯМ, ИСТОЧНИКАМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ПРИВОДАМ ДЛЯ НИХ 9
1.1 ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ, СТРАНЫ-УЧАСТНИКИ РАЗРАБОТОК 9
1.2 НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЭМ 10
1.2.1 «Чистые» ЭМ 10
1.2.2 Комбинированные (гибридные) энергетические системы электромобилей 13
1.3 ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ 18
1.3.1 Основные требования к аккумуляторным батареям 18
1.3.2 Тяговые аккумуляторные батареи 21
1.3.3 Электрохимические генераторы и топливные элементы 25
1.3.4 Емкостные накопители энергии 27
1.4 СОСТОЯНИЕ И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЯГОВЫХ ЭЛЕК
ТРОПРИВОДОВ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ 28
1.4.1 Коллекторный электропривод постоянного тока 28
1.4.2 Бесконтактный электропривод 29
1.4.3 Асинхронный электропривод 29
1.4.4 Электропривод на основе синхронных электродвигателей 30 ВЫВОДЫ к разделу 1 31
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ С НЭ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ 33
2.1 ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ОБРАЗЦУ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ 33
2.2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭМ НА БАЗЕ АВТОМОБИЛЯ «ГАЗЕЛЬ» 37
2.3 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ЭМСНЭ 37
2.4 АНАЛИЗ РАБОТЫ ЭМ С НЭ В ЦИКЛЕ 44
2.4.1 Скорость движения 44
2.4.2 Ток якоря тягового ЭД 45
2.4.3 Мощность, потребляемая тяговым ЭД » 47
2.4.4 Потери в тяговом ЭД и НЭ 47
2.5 ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНДАРТНЫХ ЦИКЛОВ 51
ВЫВОДЫ к разделу 2 .1 52
3. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННЫЕ ЭНЕРГЕТЩШСЖИХ
СИСТЕМ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ С П ЛГД Г А ТГЛЩЦЙ СТРУК РЩЙ 53
3.1 АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СООТНОШЕНИЙ ПРИ ДЩЕЕНИИ ЭМ В ЦИКЛЕ SAE J227C. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ КЭУ ЭМ ЩНУЛЕ-ВОГО БАЛАНСА ЭНЕРГИИ В ЦИКЛЕ 53
3.2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭМ С КЭУ (ДВС-Г-НЭ) ,. з
3.2.1 Модель автомобиля 58
3.2.2 Модель ЭД ДПТ-45 59
3.2.3 Модель системы управления 63
3.2.4 Основные формулы расчета НЭ 64
3.2.5 Моделирование режимов движения в цикле 64
3.2.6 Дополнительные условия и особенности расчета 67
3.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭМ С КЭУ (ДВС-Г, НЭ) С ОТРИ-ЦАТЕЛЬНЫМ БАЛАНСОМ ЭНЕРГИИ В ЦИКЛЕ 68
3.4 ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ КЭУ ЭМ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ПАРАМЕТРОВ ЦИКЛА 88
ВЫВОДЫ к разделу 3 93
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЯГОВЫХ АБ В КЭУ 94
4.1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭМ С АБ 10ЭМ-145 94
4.2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КЭУ ЭМ (ДВС-Г И АБ) 101
ВЫВОДЫ к разделу 4 119
5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭМ С НЭ. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ЭМ 122
5.1 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭМ НА НЭ И ЭМ
С КЭУ НА БАЗЕ АВТОМОБИЛЯ «ГАЗЕЛЬ» 122
5.1.1 Определение среднесуточных пробегов 122
5.1.2 Расчет годового экономического эффекта 123
5.1.3 Анализ экономических показателей ЭМ с НЭ 126
ВЫВОДЫ к экономической части раздела 5 131
5.2 СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ С ДАННЫМИ, ПОЛУЧЕННЫМИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ 134
5.2.1. Условия и программа испытаний опытных образцов ЭМ 134
5.2.2. Выверка математической модели ЭМ на базе автомобиля «Газель» с использованием результатов дорожных испытаний опытного образца ЭМГАЗ-33022-Э 135
ВЫВОДЫ по сравнению результатов эксперимента и расчетов 141
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Основные результаты и выводы по работе 142
ЛИТЕРАТУРА 145
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ ЗАРУБЕЖНЫХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ 151
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА А РАЗЛИЧНЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ 157 ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ,
СОСТАВЛЕННЫЙ ПО МАТЕРИАЛАМ КОНФЕРЕНЦИЙ EVS-14 (1997г.) и
EVS-15 (1998г.) 165
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ХАРАКТЕРИСТИКИ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЗАО «ЭСМА» И КОМПАНИИ «ЭЛИТ» 179
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМОБИЛЯ ГАЗ-2705 «ГАЗЕЛЬ» 183
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. ПАРАМЕТРЫ ТЯГОВОГО ЭД 184
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. ХАРАКТЕРИСТИКИ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ «ГАЗЕЛЬ» 190
ПРИЛОЖЕНИЕ 8. ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ 193
ПРИЛОЖЕНИЕ 9. ТЕКСТ ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА ДВИЖЕНИЯ ЭМ С КЭУ
ИНЭВЦИКЛЕ 200
ПРИЛОЖЕНИЕ 10. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
РАБОТЫ ЭМ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТОКА ЯКОРЯ 212
ПРИЛОЖЕНИЕ 11. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ПОТЕРЬ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЕ ЭМ НА БАЗЕ АВТОМОБИЛЯ «ГАЗЕЛЬ» (НАПРЯЖЕНИЕ БАТАРЕИ НЭ-160 В) 215
ПРИЛОЖЕНИЕ 12. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ КЭУ ЭМ НА
БАЗЕ АВТОМОБИЛЯ «ГАЗЕЛЬ» ПРИ ЕГО ДВИЖЕНИИ В ЦИКЛАХ SAE
J227C 217
ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭМ НА НЭ И С КЭУ НА БАЗЕ АВТОМОБИЛЯ «ГАЗЕЛЬ» 219
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 224
АКТ ВНЕДРЕНИЯ 225
Введение к работе
Экологическая ситуация в больших городах мира в последние годы значительно ухудшается. В ряде стран вводятся жесткие нормы выбросов вредных веществ автомобилей. Это в первую очередь касается США, стран Западной Европы, Японии. Из года в год ухудшается экологическая обстановка и в России /1/. Ежегодный прирост выбросов вредных веществ от автомобилей, эксплуатируемых в Москве, за последние 5-6 лет составил около 9%, а их валовой вклад в загрязнение окружающей среды превышает 87% /16, 20/. Кроме этого автомобильный транспорт является основным источником шума и создает 80% всех зон акустического дискомфорта 111. Правительство Москвы приняло ряд Постановлений, направленных на снижение объема вредных выбросов в атмосферу города /4, 5/.
Электромобили (ЭМ) в значительной мере могут решить указанные выше проблемы, однако на пути их создания встречаются болыпие технические и экономические трудности /9/. Успех в решении этой задачи зависит от правильного выбора и расчета компонентов энергетической установки /13/. Исследования могут быть осуществлены как на основе экспериментальных данных, так и с помощью математического моделирования, что наиболее рационально и экономически целесообразно /23/.
Практически все ведущие автомобилестроительные компании мира ведут работы по созданию электромобиля. Наибольшие успехи достигнуты в области комбинированных энергетических систем электромобилей. Это стало возможным из-за улучшения характеристик двигателей внутреннего сгорания и применения как емкостных накопителей энергии, так и импульсных аккумуляторных батарей, позволяющих осуществлять быстрый заряд и разряд при высоком к.п.д.
Изучением применения емкостных накопителей с успехом занимаются МАДЩТУ), МГТУ(МАМИ), НАМИ, НПО «Автоэлектроника», ЗАО «ЭСМА», ЗАО «ЭЛТРАН».
В 1992-1998 годах в России существенно продвинулись работы по емкостным накопителям энергии. Они, прежде всего, связаны с улучшением удельных энергетических характеристик (до 10ч-12 Вт-ч/кг), удельных характеристик по мощности (до 2-=-3 кВт/кг), а также с возможностью кратковременного (за 15 -20 мин) заряда до 100% энергоемкости /10,29/.
Катастрофическое увеличение вредных выбросов от автомобилей в атмосферу и появление в России производства тяговых и "стартерных" конденсаторных батарей потребовали изучить возможные варианты применения комбинированных энергетических установок (КЭУ), что определило актуальность работы.
Цель и задачи исследования. Основной целью работы является комплексное исследование взаимосвязей параметров электромобиля последовательной структуры с комбинированной энергетической установкой и накопителями энергии нового поколения. Для этого: определить возможность применения емкостных накопителей энергии в комбинированных энергосистемах электромобиля; создать математическую модель энергетического расчета электромобиля на накопителях с кратковременным зарядом и проверить адекватность модели на реальном электромобиле; проверить целесообразность комбинирования накопителей с традиционными аккумуляторными батареями с целью улучшения их характеристик и срока службы; разработать рекомендации по выбору параметров энергетической установки по требованию заказчика.
Автор защищает:
1. Экспериментально проверенную математическую модель ЭМ с КЭУ последовательной структуры.
2. Методику выбора параметров энергетической установки ЭМ с КЭУ последовательной структуры при «нулевом» и отрицательном балансах энергии в цикле.
3. Установленные взаимосвязи параметров энергооборудования электромобиля при значительном (в 2 раза) снижении напряжения накопителей энергии.
Методика исследования предполагала: анализ современного состояния работ по литературным данным, результатам эксплуатации и испытаний образцов электромобилей; создание методов расчета заряда и разряда емкостных накопителей энергии; математическое моделирование движения электромобиля в циклах и оптимизацию параметров комбинированных энергетических систем электромобилей по требованию заказчика.
Научная новизна:
1. Разработан метод определения основных параметров электромобиля при значительном (в 2 раза) снижении напряжения накопителей энергии и условии выполнения графика движения.
2. Созданы математические модели "чистого" электромобиля, электромобиля с комбинированной энергосистемой с последовательной структурой. Моделирование позволило определить зависимость технико-экономических показателей электромобиля от емкости накопителя.
3. Разработана методика применения традиционных тяговых аккумуляторных батарей в комбинации с накопителями энергии и двигатель-генераторной установкой (ДВС-Г). Проведен анализ последовательного и параллельного включения накопителей энергии с аккумуляторными батареями.
4. Получены аналитические зависимости, позволяющие рассчитать параметры электромобиля при различных сочетаниях его энергетических компонентов.
5. Показана возможность и целесообразность применения программных средств для моделирования и расчета параметров энергетических установок электромобиля без изготовления промышленного образца и проведения натурных испытаний. Практическая ценность. Разработан образец электромобиля на базе автомобиля "ГАЗель" с ДВС-Г и "стартерными" (по определению производителя) накопителями энергии производства ЗАО "ЭСМА". Определены технические параметры указанной энергетической системы и доказана возможность снижения расхода топлива и уменьшения объема вредных выбросов в атмосферу электромобилем в городском движении. Предложен метод выбора основных параметров энергоустановки для электромобиля с неограниченным пробегом.
Реализация результатов работы. Результаты работы использовались при создании образца электромобиля "ГАЗель" с накопителем энергии производства ЗАО "ЭСМА". Основные выводы исследования учитываются при разработке и производстве грузового развозного электромобиля и пассажирского электробуса с комбинированной энергоустановкой, создаваемых по решению Правительства Москвы. Электромобили "ГАЗель" проходят опытную эксплуатацию в ВВЦ г. Москвы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной конференции "Человек, город и окружающая среда" в Москве 3-8 июня 1998г., Всемирном электромобильном симпозиуме EVS-15 в Брюсселе в сентябре 1998г., научно-технических конференциях МАДИ, Московской городской научно-практической конференции "Автотракторный комплекс и экологическая безопасность" в Москве 3-4 марта 1999г. Диссертационная работа одобрена на заседании кафедры "Электротехника и электрооборудование" МАДИ. Результаты работы использовались при создании ряда электромобилей на накопителях энергии с кратковременным зарядом, проходящих опытную эксплуатацию в города Москвы.
Публикации. Основные положения и результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
В первой главе проведен анализ научно-технических разработок по электромобилям последних лет на основании материалов Международных конференций и симпозиумов, а также работ, проводившихся в МГТУ(МАМИ), НАМИ, МАДИ(ТУ) и других организациях России.
Во второй главе описано применение накопителей энергии ЗАО "ЭСМА" для "чистого" электромобиля. Обоснован выбор накопителей тягового типа и их массы, исходя из условия оптимизации транспортной работы. На основании разработанной математической модели электромобиля, конвертированного из автомобиля "ГАЗель", рассчитаны пробеги электромобиля в различных циклах движения. Для проверки адекватности математической модели проведено сопоставление расчетных пробегов и удельных расходов электроэнергии (Вт-ч/т-км) с результатами экспериментальных испытаний опытного образца электромобиля. Исследования на модели проводились главным образом для режимов движения в цикле SAEJ227C.
В третьей главе исследован выбор параметров комбинированных энергетических систем электромобилей с последовательной структурой, изучена целесообразность комбинирования накопителей энергии в сочетании с генератором, приводимым в движение от двигателя внутреннего сгорания. Сравнение проводилось с результатами, полученными в главе 2. Описана математическая модель электромобиля с комбинированной энергоустановкой и накопителями энергии. Рассматриваются два подхода к проектированию комбинированных энергетических систем электромобилей, с «нулевым» и с отрицательным балансом энергии в цикле.
В четвертой главе рассмотрены комбинированные энергетические системы электромобилей с применением аккумуляторных батарей и емкостных накопителей энергии. Для сравнения энергетических систем электромобилей, в том числе с аккумуляторными батареями, проведены математическое моделирование и расчеты движения электромобиля "ГАЗель" в циклах SAEJ227C со свинцово-кислотной аккумуляторной батареей.
Пятая глава посвящена оценке экономической эффективности электромобиля на накопителях энергии и электромобиля с комбинированной энергоустановкой последовательной структуры. Проведено сравнение результатов расчетов с данными, полученными при испытаниях опытных образцов электромобилей.
В заключении описаны основные результаты и выводы по диссертационной работе, указаны возможные области их использования и пути дальнейшего совершенствования электромобилей с комбинированными энергоустановками.
