Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор устройств, улучшающих топливную экономичность автотранспортных средств 32
1.1. Основные особенности электромобилей и гибридных АТС 34
1.2. Основные характеристики аккумуляторных батарей электромобилей и гибридных АТС .43
1.3. Основные особенности системы стоп – старт 48
1.4. Обзор принципов управления напряжением генераторных установок, направленных на снижение расхода топлива и повышение энергетических показателей .54
1.4.1. Общие принципы построения интеллектуальных систем управления напряжением генераторных установок автотранспортных средств 54
1.4.2 Классификация и особенности интеллектуальных систем управления генераторных установок автотранспортных средств 57
1.4.2.1 Классификация интеллектуальных систем управления СЭС 57
1.4.2.2 Принципы управления, обеспечивающие снижение расхода топлива двигателем на привод генераторной установки .64
1.4.2.3 Принципы управления, обеспечивающие заданное зарядное состояние аккумуляторной батареи .66
1.4.2.4 Принципы управления, обеспечивающие заданный уровень качества и стабильности напряжения в бортовой сети .70
1.5. Выводы по главе 1 74
Глава 2. Обзор методов моделирования и расчета систем электроснабжения и пуска в эксплуатации 76
2.1. Расчет баланса электроэнергии 77
2.2. Выбор пределов регулирования напряжения генераторной установки 83
2.3. Обзор современных методов расчета выходных характеристик системы пуска, обеспечивающих надежный пуск первичного двигателя автотранспортного средства 88
2.4. Обзор методик расчета и экспериментального определения расхода топлива автотранспортных средств в эксплуатации 95
2.4.1. Методики расчета расхода топлива автотранспортных средств в эксплуатации 95
2.4.2. Обзор методов экспериментального определения расхода топлива автотранспортных средств в эксплуатации 100
2.4.3. Измерительная аппаратура для измерения расхода топлива и ее характеристика .103
2.5. Расчет электромашинных преобразователей для автомобилей с системой стоп-старт, обеспечивающих снижение расхода топлива на привод генератора .105
2.6. Выводы и заключение по второй главе 117
Глава 3 Разработка методики проектирования систем электроснабженияния, учитывающей реальные условия эксплуатации 118
3.1. Описание алгоритма эксплуатации систем .127
3.2. Обоснование выбора шага дискретизации времени для каждого из режимов эксплуатации 138
3.3. Принципиальная схема системы электроснабжения автомобиля для исследования расхода топлива на привод генераторной установки 141
3.4. Принципиальная схема системы электроснабжения автомобиля для исследования энергетических процессов 143
3.5. Разработка схемы замещения и математической модели аккумуляторной батареи 148
3.6. Разработка схемы замещения и математической модели генераторной установки .153
3.7. Математическая модель системы электростартерного пуска для расчета эквивалентного тока приемников электрической энергии в режиме пуска и частоты прокрутки двигателя для определения минимально допустимой степени заряженности аккумуляторной батареи 158
3.8. Синтез принципа управления напряжением для снижения расхода топлива ДВС на привод генераторной установки 166
3.9. Основные пути снижения расхода топлива на привод генератора 173
3.10.Заключение и выводы из третьей главы 174
Глава 4. Проверка адекватности математической модели и разработка измерительного комплекса для испытаний систем электроснабжения автотранспортных средств .176
4.1. Назначение и структура программно-измерительного комплекса 177
4.2. Структура и принцип работы программно-измерительного комплекса .178
4.3. Перечень параметров, измеряемых комплексом 181
4.4. Проверка адекватности математической модели 182
4.5. Основные принципы по интеграции системы электроснабжения в мультиплексную систему обмена информацией автотранспортного средства 185
4.6. Заключение и выводы из четвертой главы 188
Глава 5 Методика синтеза принципов работы системы электроснабжения, обеспечивающих повышение топливной экономичности автотранспортных средств 190
5.1. Основные показатели энергетической эффективности .192
5.2. Общие положения по интеграции СЭС в мультиплексную систему обмена информацией автотранспортного средства 199
5.3. Теоретический анализ основных типов алгоритмов управления автомобильной системой электроснабжения .205
5.3.1. Выбор критерия оптимизации и независимых переменных при проведении эксперимента .210
5.3.2. Уравнение регрессии .211
5.3.3. Анализ влияния частоты вращения генератора на оборотах холостого хода двигателя автомобиля и уровня регулируемого напряжения на величину математического ожидания напряжения на приемниках электрической энергии 212
5.4. Заключения и выводы пятой главы 215
Глава 6 Разработка принципов работы систем электроснабжения, обеспечивающих повышение топливной экономичности автотранспортных средств .218
6.1. Выбор независимых переменных, ограничений и целевой функции .218
6.2. Разработка системы электроснабжения с частично оптимизированным алгоритмом работы 222
6.3. Результаты испытаний системы электроснабжения с частично оптимизированным алгоритмом 223
6.4. Методика непрерывного определения степени заряженности аккумуляторной батарей во время движения АТС 227
6.5. Конструктивные и функциональные особенности регулятора напряжения, работающего по разработанному алгоритму 243
6.6. Перспективы развития систем электроснабжения автотранспортных средств, обеспечивающих снижение расхода топлива на привод генератора .255
6.7. Заключения и выводы из шестой главы .261
Заключение 262
Список литературы .265
Приложение. Акты внедрения .284
- Основные особенности электромобилей и гибридных АТС
- Методики расчета расхода топлива автотранспортных средств в эксплуатации
- Синтез принципа управления напряжением для снижения расхода топлива ДВС на привод генераторной установки
- Методика непрерывного определения степени заряженности аккумуляторной батарей во время движения АТС
Основные особенности электромобилей и гибридных АТС
В последние годы, производство и продажа электромобилей и гибридных автомобилей переживают значительный рост, однако это не означает полную замену АТС традиционной структуры на альтернативные АТС.
Для электромобилей это касается комплексной оценки полного жизненного цикла и WTW-анализа [2]. Применение WTW-анализа (wello-wheel, «от скважины до колеса») позволяет комплексно охватить полную оценку экобаланса при превращении и трансформации топлива из первичного ресурса в полезную энергию движения. И включает фазу WTT (welloank, «от скважины до бака»): производства, переработки и доставки топлива — и фазу TTW (англ. tanko-wheel, «от бака до колеса»), учитывающую энергоэффективность двигателя и привода крутящего момента на колёса автомобиля. В работе [3] анализировались заявленные производителями показатели расхода топлива и выбросов оксида углерода для гибридных автомобилей, которые имеют такие высокие показатели, благодаря применяемой методике тестирования. По Правилам ЕЭК ООН № 101, в работе [4] анализировалась реальная энергоэффективность электромобилей применительно к российскому рынку с учётом средних значений эффективности производства и транспортировки электроэнергии в РФ.
Во многих современных автомобильных изданиях, где приводятся оценки, производимых и продаваемых моделей автомобилей, в технической литературе, на сайтах автомобильных компаний часто утверждается, что электромобили имеют значительные экологические и экономические преимущества по сравнению с традиционными АТС. Электромобиль имеет следующие преимущества:
- высокие экологические показатели из-за отсутствия применения нефтяных топлив, антифризов, трансмиссионных и моторных масел, фильтров для этих жидкостей, а также отсутствие вредных выхлопов;
- простота и надёжность конструкции (надёжность электродвигателя и трансмиссии, отсутствие необходимости в переключении передач), приводящие к простоте в техобслуживании;
- дешевизна при эксплуатации за счёт применения дешевой (по сравнению с бензином) электроэнергии, вырабатываемой АЭС, ГЭС и электростанциями других типов.
Однако имеются и не менее бесспорные недостатки, которые тоже можно оценивать с разных точек зрения. Недостатками электромобилей является высокая цена, небольшой пробег без подзарядки, необходимость часто заряжать аккумуляторы, небольшой срок службы аккумуляторов и проблемы с их утилизацией. Кроме того, для производства и транспортировки необходимой электроэнергии приходится расходовать ресурсы, сжигать кислород и загрязнять атмосферу [4]. Электрические транспортные средства могут считаться более эффективными для эксплуатации по сравнению с традиционными автомобилями, только если будут обеспечены низкий уровень вредного экологического воздействия на всех этапах топливно-энергетической цепи и общее сокращение выбросов оксида углерода и других парниковых газов в полном жизненном цикле.
Значительные выбросы оксидов углерода могут быть созданы в процессах производства энергии, поэтому источник электроэнергии, который будет применяться для зарядки электрических транспортных средств, имеет решающее значение при оценке эффективности и экологичности электромобилей.
Все виды топлива могут быть сравнены по их удельной энергии (количеству энергии на единицу массы), например в мегаджоулях на килограмм (МДж/кг). А конечную энергетическую эффективность можно оценить в количестве километров пробега автомобиля на единицу начальной энергии исходного топлива, то есть в км/МДж. Теоретический анализ показывает, что лучшие легковые электромобили, доступные на рынке ЕЭС в 2016 году, расходуют 0,12–0,15 кВтч электроэнергии от аккумуляторной батареи на каждый километр пути.
Далее проведена оценка реальной энергетической эффективности электромобилей, с учётом имеющихся в литературе данных о КПД фактических процессов, входящих в полный жизненный цикл производства и потребления электроэнергии в РФ. КПД тягового электродвигателя составляет 88–90 %. Энергетический цикл литий-ионных батарей составляет около 86 % (доля снимаемого электричества к полной зарядке) [6], хотя данное значение относится к оптимальным температурным и климатическим режимам и имеет тенденцию к снижению с увеличением срока эксплуатации батарей. Энергетические и тепловые потери на работу трансмиссии для электромобилей и АТС традиционной структуры одинаковы, поэтому мы можем не принимать их во внимание, оценивая КПД транспортного средства по энергии на выходе двигателя. Также не будем принимать во внимание и разницу в массе электромобиля и АТС традиционной структуры, хотя, как правило, для электромобиля она больше на 200–300 кг за счёт массы тяговых батарей. Поэтому на каждые 100 МДж (1 кВтч = 3,6 МДж) электроэнергии, потребляемой от сети из электрической розетки при зарядке батарей электромобиля, реально используется для движения колёс только 76 МДж.
Электроэнергия, вырабатываемая атомными электростанциями (АЭС) и гидроэлектростанциями (ГЭС) не превышает 32 % от общего количества электроэнергии, производимой в России. Суммарное производство электроэнергии из других возобновляемых источников энергии, таких, например, как солнечные батареи, ветряные, приливные, геотермальные электростанции, пренебрежимо мало. Поэтому основным источником электроэнергии в РФ являются тепловые электростанции (ТЭС), производящие 68 % электроэнергии, вырабатываемой в стране. Среднее значение КПД ТЭС в РФ составляет 33 % [7, 8].
Кроме того, электроэнергию не удаётся запасать в больших количествах, поэтому возникает необходимость в передаче её на большие расстояния. Передача энергии на большие расстояния является довольно сложной проблемой и связана с заметными потерями, так как электрический ток нагревает провода линий электропередачи. Генераторы, устанавливаемые на электростанциях, рассчитаны на напряжение 10–20 кВ, поэтому при передаче энергии от мощных электростанций для уменьшения тепловых потерь напряжение повышают до 500–750 кВ на трансформаторных повышающих подстанциях, а затем после транспортировки и для питания отдельных потребителей напряжение должно быть понижено. Поэтому перед потребителями ставят ряд понижающих подстанций (обычно три-четыре) с понижением напряжения в несколько этапов, пока в жилом секторе величина напряжения не достигнет 220–380В. Это делается для уменьшения общих потерь при транспортировке электроэнергии. С учётом коэффициентов потерь на транспортировку и преобразование электроэнергии итоговый КПД тепловых электростанций России, учитывающий потери при передаче, составляет всего 20–26 %. Эти значения коррелируются и с данными Американского совета по энергоэффективной экономике (American Council for an Energy-Efficient Economy ACEEE). Группа исследователей ACEEE провела и опубликовала в 2014 году широкомасштабный анализ ведущих экономик мира с точки зрения рациональности использования энергии. Россия в этом исследовании заняла последнее место по энергетической эффективности, а установленный средний уровень КПД тепловых электростанций России с учётом полных потерь при передаче оказался крайне низким 21 % [10]. Поэтому КПД электромобилей для welloank составляет всего 20–26 %, а с учётом данных для этапа tanko-wheel итоговый КПД wello-wheel составляет 15–20 %, что не превышает КПД для бензиновых и дизельных автомобилей. Полученные ранее значения для стадии tankto-wheel со средним пробегом электромобилей в 1,5–2,0 км на каждый МДж энергии, потреблённый от электросети, теперь необходимо умножить на коэффициенты, рассчитанные для welloank для электроэнергии. В результате получаем значения от 0,3 до 0,5 км на каждый МДж начальной энергии исходного топлива. То есть полный wello-wheel анализ показывает, что лучшие по энергетической эффективности легковые электромобили 2014–2017 годов выпуска могут проехать около 0,5 км на одном МДж энергии топлива, использованного на электростанции.
Сравним аналогичные данные для бензиновых автомобилей. Есть определённые трудности со сбором данных для оценки энергетической эффективности производства бензина и его транспортировки к АЗС на территории РФ. Возьмём для расчётов имеющиеся средние значения для производства бензина из нефти и его транспортировки к АЗС для США и Канады, где территориальные расстояния для логистики примерно схожи с Россией и составляют 81,7 %. Это означает, что 18,3 % из энергетического содержания сырой нефти в среднем теряется при производстве и транспортировке бензина [6].
Методики расчета расхода топлива автотранспортных средств в эксплуатации
При разработке математической модели расхода топлива в большинстве случаев используют экспериментальные нагрузочные характеристики ДВС (рис. 17).
Экономичность работы двигателя оценивается удельным эффективным и часовым расходами топлива. Удельный расход топлива ge уменьшается с увеличением нагрузки. При работе двигателя по внешней характеристике (линии с кружками) расход топлива возрастает (смесь обогащенная экономайзером).
Минимальный удельный расход топлива на рис. 17 показан штриховой линией. С уменьшением мощности расход топлива возрастает. Удельный расход топлива возрастает с увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя. Например, при Ne=30 кВт удельный расход топлива при максимальной частоте вращения (кривая 7) в 1,7 раза больше, чем при 1200 мин-1 (кривая 2). Часовой расход Gт топлива при увеличении нагрузки возрастает. С уменьшением частоты вращения часовой расход также снижается.
Минимальный удельный расход топлива возникает при максимальном значении коэффициента избытка воздуха . Из рис. 17 видно, что коэффициент избытка воздуха колеблется в пределах от 0,8 до 1,1. При включении экономайзера (линии с кружками) а снижается до 0,8-0,85.
В настоящее время в качестве простейшей математической модели расхода топлива Q, л/100 км, принимается следующее уравнение: где ge — удельный расход топлива, г/(кВт ч); Gа — расчетный вес автомобиля, Н; — коэффициент дорожного сопротивления (0,026); k — коэффициент сопротивления воздуха, Н с2м-4; F — лобовая площадь автомобиля, м2; Va — скорость автомобиля (принимается 60% максимальной паспортной скорости), км/ч; тр — коэффициент полезного действия трансмиссии (принимается 0,875 для автомобилей с одним и 0,825 с двумя ведущими мостами); т — плотность топлива (принимается 0,74 для бензина и 0,825 для дизельного топлива), г/см3.
Удельный расход топлива не является постоянной величиной. При увеличении нагрузки он уменьшается примерно с 650 до 300 г/(кВт ч). Как видно из нагрузочной характеристики двигателя, на расход топлива сильно влияет частота вращения коленчатого вала.
Из рис. 17 также следует, что при изменении режимов работы двигателя существенно изменяется коэффициент избытка воздуха а, от величины которого зависит топливная экономичность автомобиля. Уравнение не учитывает коэффициенты избытка воздуха, полезного действия двигателя, передаточные числа коробки передач и главной передачи, радиус колес, теплоту сгорания топлива и другие параметры. Эта модель для эксплуатационных расчетов и нормирования топлива практически непригодна. Поэтому необходимо рассматривать другую, более совершенную модель и формулу расчета расхода топлива автомобиля. Формулу расхода топлива на 100 км пробега, можно получить из выражения Q=100Gт/(Vaт), (2.21) где Gт — часовой расход топлива, кг/ч; Va—скорость движения автомобиля, км/ч; т—плотность топлива, г/см3.
Для расчета часового расхода топлива необходимо удельный расход топлива умножить на мощность: Gт = geNe = 0,03VhnPe/(Hнe), (2.22) где ge — удельный расход топлива, кг/(кВтч); Ne — эффективная мощность двигателя, кВт; Ре — среднее эффективное давление, кПа; Нн — низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; е — эффективный КПД; Vh — рабочий объем цилиндров двигателя, л; n — частота вращения коленчатого вала, мин-1.
Частота вращения коленчатого вала определяется по формуле через скорость движения автомобиля: n=2,65 io iк Va/rк, (2.23) где iо, iк — передаточные числа главной передачи и коробки передач, rк — радиус качения, м.
Эффективный КПД двигателя можно выразить через механический и индикаторный КПД следующим образом: е = mi = Pei/(Pe+Pп), (2.24) где Рп - среднее давление механических потерь в двигателе, кПа.
Среднее эффективное давление Ре определяется из уравнения мощности, подведенной к колесам автомобиля. Мощность на ведущих колесах равна сумме трех слагаемых: (Gа+0,077kFV2a±0,1GaVa)Vа/3,6 103. Третье слагаемое является дополнительной силой Pj на преодоление сил инерции. Эта сила складывается из силы Рр, необходимой для разгона поступательно движущихся масс, и силы, необходимой для разгона вращающихся частей. Для упрощенных расчетов можно принять, что сила Pj, Непропорциональна силе Pp и коэффициенту , который учитывает влияние вращающихся масс (маховик, колеса): Pj=Рр 0,1GaVa, (2.25) где Va — ускорение (замедление) движущегося автомобиля, м/с2.
Коэффициент приближенно рассчитывается по формуле =l+aKi2к, где ак — постоянная для данного автомобиля величина (для легковых автомобилей 0,03...0,05, для грузовых и автобусов 0,05...0,07); iк — передаточное число в коробке передач. Таким образом, Neтр = VhPenтр/120 = (Ga+0,077kFV2a±0,1GaVa)Vа/3,6 103. (2.26) Ре=12,56rк(Ga+0,077kFV2a±0,1GaVa)/(Vhi0ikтр). (2.27)
Для определения среднего давления механических потерь на трение в двигателе существует ряд эмпирических формул, которые в общем виде записываются так Рп=а+bCп, где а и b — постоянные для данного двигателя коэффициенты; Сп — средняя скорость поршня, м/с. Эти потери от мощности двигателя практически не зависят. Выразив скорость поршня через его ход (Sп, м) и частоту вращения коленчатого вала (n, мин-1), получим, кПа, Рп=а+0,033b Sn n. (2.28)
Примерно 65% энергетических потерь на трение приходится на цилиндропоршневую группу, 15 - 20% — на процессы газообмена и 10% — на привод вспомогательных приборов. За счет снижения механических потерь на трение, газообмен и привод вспомогательных приборов расход топлива можно снизить на 3 - 5%.
Коэффициенты а и b экспериментально находят для каждого типа двигателя при разных отношениях хода поршня Sп к диаметру цилиндра Dц. Для карбюраторных двигателей при Sп/Dц1 значение коэффициентов а и b несколько больше, чем при Sп/Dц
Для дизельных двигателей коэффициенты а и b несколько больше, чем для карбюраторных. С достаточным приближением для практических расчетов коэффициент a - для дизельных двигателей 48 кПа и карбюраторных 45 кПа, b - соответственно 16 и 13 кПа с м-1.
Основным недостатком существующих методик расчета расхода топлива ДВС автомобиля является, что в них отсутствует учет расхода топлива на привод генераторных установок.
Синтез принципа управления напряжением для снижения расхода топлива ДВС на привод генераторной установки
С помощью разработанной методики были проанализированы следующие алгоритмы регулирования напряжения генератора на легковых и грузовых автомобилях, а также автобусах в условиях городской эксплуатации и движении по шоссе (универсальный ездовой цикл рис. 21 для определения расхода топлива АТС).
1. Традиционный алгоритм, ограничивающий напряжения генератора на определенном уровне при изменении частоты вращения ротора генератора и тока потребителей электроэнергии. При этом уровень напряжения изменяется в зависимости от температуры воздуха, входящего в генератор.
2. Алгоритм регулирования напряжения, суть которого заключается в следующем. В течение первого интервала времени регулируемое напряжение поддерживают на номинальном уровне 14,2В – 14,4В. В течение второго интервала времени регулируемое напряжение снижают и измеряют напряжение АБ, характеризующее ее зарядное состояние. При снижении напряжения аккумуляторной батареи ниже определенного значения (12,08В – 12,1В) отключают потребители работа которых не связана с безопасностью движения, а затем повышают обороты холостого хода двигателя и регулируемое напряжение до уровня 14,5В – 14,7В. В течение третьего интервала времени регулируемое напряжение поддерживают выше номинального значения (14,8В – 15В) при условии, если не включены потребители, критичные к напряжению питания [52].
3. Алгоритм регулирования, при котором напряжение в бортовой сети постоянно измеряют и сравнивают с пороговыми значениями. Когда напряжение уменьшается ниже первого порогового значения (12,3В – 12,35В) регулятор напряжения поддерживает минимальный уровень регулируемого напряжения генератора 14,1В – 14,3В. При этом пороговое значение изменяют в зависимости от температуры аккумуляторной батареи для исключения получения избыточного заряда. В случае если напряжение в бортовой сети уменьшается ниже второго порогового значения (12,05В – 12,1В) регулятор напряжения поддерживает максимальный уровень регулируемого напряжения генератора 14,6В – 14,8В [9].
4. Алгоритм регулирования напряжения, разработанный и запатентованный автором. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа регулирования напряжения в бортовой сети транспортного средства, реализация которого не вызывает существенного усложнения и снижения надежности работы системы электроснабжения в целом.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что по способу регулирования напряжения в бортовой сети транспортного средства с генератором и буферной аккумуляторной батареей, по которому напряжение в бортовой сети измеряют и преобразуют в сигнал, характеризующий его величину, сравнивают полученный сигнал с пороговыми значениями, фиксируют моменты времени, когда указанный сигнал уменьшается ниже первого заданного порогового значения, в которые переводят регулятор напряжения генератора, если он находился в ином режиме, в режим поддержания максимального напряжения генератора, а впоследствии переводят регулятор напряжения генератора в режим поддержания минимального напряжения генератора, дополнительно как только сигнал, характеризующий величину напряжения в бортовой сети, в первый раз после фиксации каждого из упомянутых моментов времени достигнет второго заданного порогового значения, который по величине больше первого заданного порогового значения, запускают таймер и, если в последующем таймер зафиксирует заданный промежуток времени, регулятор напряжения генератора переводят в режим поддержания минимального напряжения генератора, таймер останавливают и обнуляют, а если в период работы таймера зафиксирован хотя бы один из упомянутых моментов времени, таймер останавливают и обнуляют.
Кроме того, в частном случае при упомянутом преобразовании напряжения бортовой сети в сигнал, характеризующий его величину, сначала формируют сигнал, пропорциональный указанному напряжению, а затем сглаживают его посредством интегрирующей цепи.
Способ поясняется рис. 34, где представлена функциональная схема, его реализующая, и рис. 35, где приведены диаграммы изменения сигнала, характеризующего напряжение в бортовой сети (а), работы таймера (б), перестроения режимов работы регулятора напряжения генератора (в).
Функциональная схема состоит из генератора 1 (рис. 36), параллельно которому подключена буферная аккумуляторная батарея 2, регулятора 3 напряжения, интегрирующей цепи 4, подключенной к бортовой сети 5, регенеративного компаратора 6, входом подключенного к интегрирующей цепи 4, триггера 7, один из входов которого соединен с выходом регенеративного компаратора 6, таймера 8, вход сброса которого подключен к упомянутому выходу регенеративного компаратора 6, выход к второму входу триггера 7, а блокировочный вход к выходу триггера 7, который соединен также с входом управляемого ключа 9, шунтирующего один из резисторов измерительной цепи регулятора 3 напряжения, подключенной к бортовой сети 5. Интегрирующая цепь 4 может отсутствовать, тогда регенеративный компаратор 6 подключается к бортовой сети через делитель напряжения.
Способ реализуется следующим образом.
Напряжение бортовой сети 5 измеряется и преобразуется в сигнал, характеризующий его величину. Этот сигнал 10 (рис. 37а) может быть просто пропорционален напряжению в бортовой сети (при отсутствии цепи 4) либо сглажен посредством интегрирующей цепи 4 (сигнал 11). Затем полученный сигнал сравнивают в регенеративном компараторе 6 с заданными пороговыми значениями Uп1 и Uп2, где Uп2 Uп1 (фиг. 2а). Непосредственно после пуска двигателя транспортного средства напряжение в бортовой сети 5 характеризуется провалом вследствие разряда аккумуляторной батареи и недостаточности напряжения на генераторе из-за настройки его регулятора на режим поддержания минимального напряжения генератора (режим "компенсирующего заряда") и низкой частотой вращения двигателя на оборотах холостого хода. При уменьшении сигнала 10 или 11 ниже первого заданного порогового значения Uп1 регенеративный компаратор 6 переключается, фиксируя моменты времени t1, t5, t7 или t2, t8 (рис. 35а), и своим выходным сигналом переводит триггер 7 в другое устойчивое положение, если он находился в ином состоянии. В момент времени t1 или t2 регулятор 3 напряжения переводится в режим поддержания максимального напряжения генератора 1 с помощью установки управляемого ключа 9 сигналом с триггера 7 в положение, соответствующее настройке измерительной цепи регулятора напряжения. В моменты времени t5, t7 и t8 регулятор 3 напряжения и триггер 7 уже находились в указанном состоянии, поэтому никакого перехода не происходит. При наличии сигнала с триггера 7, т.е. в период времени t111 или t210 (рис. 37б), таймер 8 разблокирован по входу блокировки. "Ускоренный" заряд аккумуляторной батареи 2 в данном случае возможен лишь тогда, когда мощность, отдаваемая генератором, достаточна для поддержания повышенного уровня напряжения. Однако это условие может не выполняться, так как мощность генератора является функцией частоты вращения двигателя, которая определяется дорожной обстановкой. Если мощность генератора 1 недостаточна для поддержания повышенного уровня напряжения, схема ожидает моментов времени, когда сигнал 10 или 11 в первый раз после каждого провала напряжения достигнет второго заданного порогового значения (t3, t6, t9 или t4, t10). В эти моменты времени выходной сигнал регенеративного компаратора 6 меняет свой уровень и запускает таймер 8, снимая сигнал с его входа сброса. После этого момента регулятор 3 напряжения поддерживает повышенное напряжение в бортовой сети еще в течение заданного времени, например 120 с (это время определяется длительностью ездового цикла). После того, как таймер 8 зафиксирует указанный промежуток времени Т, на его выходе появляется сигнал, возвращающий триггер 7 в исходное состояние. Изменение выходного сигнала триггера 7 приводит к блокировке таймера 8 и изменению состояния управляемого ключа 9. В результате этого регулятор 3 напряжения переводится в режим поддержания минимального напряжения генератора (t11 или t12, рис. 37в), а таймер 8 останавливается (t11 или t12, рис. 37б), а затем обнуляется. Если в течение заданного промежутка времени, отсчитываемого от моментов t3, t6 или t4, повышенное напряжение из-за характера ездового цикла не может быть поддержано непрерывно, то при уменьшении сигнала 10 или 11 ниже первого порогового значения Uп1 (t5, t7 или t8) вновь срабатывает регенеративный компаратор 6, выходной сигнал которого подается на один из входов триггера 7, подтверждая его прежнее состояние, и на вход сброса таймера 8, благодаря чему последний обнуляется и останавливается (t5, t7 или t8). Таким образом, схема в любом случае гарантированно обеспечивает режим непрерывного "ускоренного" заряда аккумуляторной батареи в течение заданного промежутка времени Т (рис. 37б) независимо от характера ездового цикла. Введение сглаживания сигнала, пропорционального напряжению бортовой сети, посредством интегрирующей цепи 4 позволяет исключить реакцию схемы на кратковременные провалы напряжения (t56), которые могут иметь место и в периоды t911 или t1012 (рис. 37б).
Методика непрерывного определения степени заряженности аккумуляторной батарей во время движения АТС
При разработке интеллектуальных СЭС в большинстве случаев требуется точное значение степени заряженности АБ для оптимального выбора уровня регулируемого напряжения. Однако эти системы дорогостоящи и требуют высококвалифицированных специалистов по их обслуживанию. Поэтому в ряде случаев для АТС специального назначения эти системы необходимы. В процессе работы над диссертацией была разработана такая система для автомобилей, осуществляющих пожаротушение в труднодоступных районах [176, 177].
Для уменьшения отрицательного влияния первичного двигателя автотранспортного средства на окружающую среду с нашей точки зрения, наиболее простым решением является снижение мощности расходуемой ДВС на привод различных устройств, получающих энергию от коленчатого вала. Экспериментальные исследования показывают, что наибольшую энергию двигатель автомобиля расходует на привод генераторной установки [150]. Для снижения влияния генераторной установки на ДВС необходимо проводить выбор уровня регулируемого напряжения генератора (напряжение настройки регулятора напряжения) в зависимости от зарядного состояния аккумуляторной батареи, а для этого необходимо знать ее степень заряженности в любой момент эксплуатации [122]. Для этого предложена методика определения степени заряженности АБ в эксплуатации, которая может быть использована не только для свинцово-кислотных АБ, но и для других, например литий-кадмиевые АБ, используемые в электромобилях и гибридных АТС, поэтому в дальнейшем АБ будем называть электрохимическими системами (ЭХС).
В результате анализа современных методов разработки электротехнических устройств, следует сделать вывод о том, что наиболее приемлемым является способ построения цифровой измерительной системы на базе микроконтроллера. Это обусловлено преимуществами, которые имеют микроконтроллеры по сравнению с устройствами, разработанными на аппаратной логике:
- меньшее энергопотребление;
- упрощенное схемотехническое решение;
- возможность изменения функциональных возможностей путем редактирования кода программы без доработки аппаратной части.
Структурная схема цифровых электротехнических комплексов контроля количества электричества с программным управлением изображена на рис. 44.
Для эффективного использования ресурсов микроконтроллера алгоритм функционирования управляющих программ при осуществлении цифрового интегрирования следует построить таким образом, чтобы общее время интегрирования было разбито на отрезки времени tИ (шаги временного интегрирования), в течение которых будут определяться значения приращения количества электричества Qi.Текущее значение Q(i) будет определяться уравнением: (6.1) где n - количество временных интервалов времени tИ.
При этом определение Qi может осуществляться как методом квантования, так и методом дискретизации по времени. При использовании метода квантования текущее интегральное значение входного сигнала u(t) заменяется суммой элементарных, равных по величине площадок (квантов). Qi =const. При использовании метода дискретизации полное время интегрирования разбивается на равные отрезки времени tИ=const, в течение которых значение Qi определяется уравнением: где At - шаг дискретизации; шп - дискретное значение сигнала на определенном интервале времени Ann; k=tИ /t - число выборок на интервале tИ; s- коэффициент преобразования датчика.
В этом случае значение Q(i) определяется методом алгебраического суммирования, то есть Qi может входить в (5.1) как с положительным, так и с отрицательным знаком.
Решение задачи контроля количества электричества при протекании тока в электрохимических устройствах с использованием интегрального значения сигнала датчика тока по вольт-секундной площади, который по сравнению с дискретным способом обработки сигнала позволяет исключить потери информации при нестационарных режимах, а также повысить помехоустойчивость измерительной системы.
На рис. 45 изображена блок-схема квантования вольт-секундной площади с использованием микроконтроллерного управления системой импульсного интегрирования сигнала.
Квантование по вольт-секундной площади заключается в замене текущего интегрального значения входного сигнала uд(t) суммой дискретных значений элементарных вольт-секундных квантов, преобразованных в последовательность счетных импульсов, которые при суммировании несут информацию об интегральной величине входного параметра.
Алгоритм управляющей программы микроконтроллера обеспечивает:
- непрерывное получение дискретных значений выходного напряжения интегратора uвыхi;
- сравнение текущего значения ивьіхі с пороговыми значениями Unop, задающими величину кванта qO(B такте заряда интегрирующей емкости Шор=5В, в такте разряда Шор=0В);
- суммирование числа квантов вольт-секундной площади =1 при достижении uBbix(t) пороговых значений;
- управление контактами аналогового ключа путем выработки управляющего сигнала низкого и высокого уровня на интервалах времени, требуемых для попеременного заряда и разряда интегрирующего конденсатора до пороговых уровней напряжения;
- вывод текущего значения i=1 на устройство индикации 11;
- контроль текущего времени интегрирования;
- режим дозирования при достижении =1 заданного значения Q.
Аккумуляторная батарея, включенная параллельно генераторной установке, работает в режиме циклирования и является источником энергии для потребителей бортовой сети объекта в условиях, когда напряжение, вырабатываемое генератором, ниже номинального. В момент времени, когда частота вращения ротора генератора достигает частоты вращения начала отдачи n1, происходит заряд аккумуляторной батареи и генератор компенсирует электроэнергию, отданную в периоде разряда.
На основе анализа режимов работы химических источников тока (ХИТ), установленного на объекте, становятся очевидными некоторые особенности.
Во-первых, возникают три характерных режима работы ХИТ (кратковременный разряд большими токами при электростартерном пуске, режим заряда, режим разряда на потребители бортовой сети транспортного объекта);
Во-вторых, величина тока разряда в режиме электростартерного пуска изменяется в широком диапазоне, при этом форма кривой имеет случайный характер и зависит от условий пуска двигателя;
В-третьих, после запуска ДВС при выходе его на эксплуатационные обороты направление тока ХИТ постоянно изменяется;
В-четвертых, возникают длительные отрезки времени работы ХИТ на холостом ходу, связанные с остановками и стоянками транспортного объекта.
В этих условиях важно оперативно получать информацию о балансе количества электричества, поступившего в ХИТ при заряде и отданным им в режиме разряда. В работе осуществлены моделирование переходных процессов при пуске и экспериментальные исследования, проведенных с целью оценки экстремальных пусковых токов и выбора соответствующего типа датчика тока.