Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 14
1.1. Особенности создания современных транспортных средств с электрической трансмиссией 14
1.2. Базовые технологии электромобилестроения и городского электротранспорта 33
1.2.1. Технологии энергосбережения 33
1.2.2. Комбинированные энергоустановки 34
1.2.3. Интегрирование элементов, мехатроника 37
1.3. Выводы по главе 1. Обоснование цели и задач исследования 38
ГЛАВА 2. Суперконденсатор как перспективный преобразователь мощности . 41
2.1. Принцип работы, основные характеристики и показатели технического уровня конденсаторов сверхвысокой энергоемкости 41
2.2. Анализ электрофизических параметров ИКЭ ЭКОНД 47
2.3. Основные показатели, влияющие на КПД суперконденсатора 51
2.3.1. Статические энергетические потери 53
2.3.2. Динамические энергетические потери 53
2.4. Математическое описание процесса заряда суперконденсатора и разгон гибридного транспортного средства 56
2.5. Аналитический метод расчета процессов в системе тяговый электродвигатель - суперконденсатор 60
2.5.1. Процесе разгона 60
2.5.2. Процесе торможения 63
2.6. Разработка принципиальной схемы зарядно-разрядного устройства супер-кондесатора 65
2.7. Выводы по главе 2 71
ГЛАВА 3. Энергетический баланс комбинированной энергоустановки и система управления 73
3.1. Особенности тягово-динамического расчета гибридного транспортного средства 73
3.2. Расчет переходных режимов электропривода габридного транспортного средства 77
3.3. Комбинированная энергоустановка для сельскохозяйственной техники 83
3.3.1. Характер изменения нагрузки тракторного двигателя 83
3.3.2. Комбинированная энергоустановка универсально-пропашного трактора 84
3.4. Обоснование структуры системы управления комбинированной энерго установкой 90
3.4.1. Общие положения 90
3.4.2. Выбор типа локальной сети 91
3.4.3. Структура системы управления гибридным транспортным средством 94
3.4.4. Организация интерфейсов с датчиками и исполнительным оборудованием общего назначения 95
3.5. Выводы по главе 3 96
ГЛАВА 4. Моделирование и экспериментальное исследование гибридного транспортного средства на базе разработанной математической модели 98
4.1. Алгоритм работы комбинированной энергоустановки 98
4.2. Диспетчер режимов 101
4.3. Моделирование работы гибридного транспортного средства в режимах ездового цикла 104
4.3.1. Определение параметров суперконденсаторов 104
4.3.2. Временная диаграмма нагрузки 105
4.3.3. Модель суперконденсатора 106
4.3.4. Выбор приближения 107
4.3.5. Результаты подбора 108
4.4. Исследование взаимосвязей, процессов и закономерностей в гибридном транспортном средстве 110
4.5. Сравнительная оценка технико-экономических показателей гибридного транспортного средства 121
4.6. Выводы по главе 4 125
Общие выводы 126
Литература 128
Список сокращений 136
Акт внедрения 138
Справка об использовании результатов научных исследований 139
- Комбинированные энергоустановки
- Основные показатели, влияющие на КПД суперконденсатора
- Комбинированная энергоустановка для сельскохозяйственной техники
- Определение параметров суперконденсаторов
Комбинированные энергоустановки
По основным электромобильным ТС, их базовым компонентам, а также по развитию инфраструктуры и маркетинга для их применения существует огромное отставание российских разработчиков, изготовителей и пользователей, хотя еще в относительно недавнем прошлом в России проводилось внедрение первых опытно-промышленных достаточно представительных партий электромобилей. Основные причины кризисного положения в отечественном электромобилестроении и машиностроении кроются в нерешенности не только технических, но и экономических и концептуальных проблем.
Сохраняющееся в течение последних лет практически кризисное состояние экономики в стране и значительное, по этой причине недофинансирование городского пассажирского транспорта вынуждают констатировать, что технический уровень эксплуатируемых в настоящее время трамваев и троллейбусов в России, в том числе и в Москве, значительно уступает системам городского электрического транспорта в Европе. Эксплуатируемые системы тягового электропривода (ТЭД) морально устарели, не обеспечивают необходимой динамики движения и должной комфортности, наблюдается много отказов из-за устаревшего вспомогательного оборудования. Наглядным примером этого служит ускоритель, выполняющий функции своего рода «коробки передач» и устанавливаемый под полом троллейбуса, трамвая. Ускоритель представляет собой цилиндр большого диаметра по периметру которого расположены контакты, а в центре вращающийся ротор, который замыкает последовательно контакты в соответствии с передачей машиниста. Так в процессе вращения происходит искрение, называемое «жемчужное». Различают несколько стадий искрения, от не причиняющего вреда до подгара щеток и ионизации воздуха парами меди с последующим круговым огнем. Также происходит проскакивание контактов (бывает до 5-8), и пассажиры наблюдают во время разгона кратковременное неприятное (особенно в начале разгона) «дергание» (рис. 1.10). Надо сказать, что на организм человека действует не абсолютное значение ускорения, а его изменение. Опытом установлено, что неприятные ощущения (в виде толчков) не вызываются, если это изменение не превосходит 0,4-0,5 м/с [27].
Кроме этого в процессе торможения вся энергия преобразуется в тепло на тормозных резисторах, что является крайне неэффективным режимом и, к сожалению не исправимым при существующей тяговой системы электропривода.
Высокое энергопотребление трамвая и троллейбуса является очевидным анахронизмом на фоне выполняемых программ по энергосбережению и рациональному использованию энергии и энергоресурсов. Развитие автобусного движения зачастую производится за счет сокращения маршрутов трамвая и троллейбуса, что, в свою очередь, влечет заметное ухудшение экологической ситуации в мегаполисах, требует увеличения потребления жидкого моторного топлива. Назрела необходимость модернизации систем электроснабжения городского электрического транспорта и трамвайных путей, в значительном повышении нуждается электробезопасность троллейбусов. Отдельные системы трамваев и троллейбусов представляют непосредственную опасность для окружающей среды. Например, применение в системах вспомогательного электрооборудования никель кадмиевых АБ вызывает большое количество вредных отходов, в том числе (ежегодно, в расчете на весь парк электротранспорта): гидрата окиси калия (натрия) марки "твердый" - 820 т; моногидрат едкого лития - 50,6 т; кадмий и его компоненты - 73,5 т [28]. Вследствие большой стоимости и сложности очистных устройств и сооружений эти отходы, как правило, сливаются в канализацию, нанося большой вред экологии города. Кроме того, чрезмерно велика стоимость батарей, а, вследствие большой трудоемкости их обслуживания, по данным эксплуатирующих организаций, стоимость работ по их содержанию за период эксплуатации сравнима с их стоимостью.
Вопросами повышения экологической чистоты городского транспорта при поддержке и непосредственном финансировании своими правительствами активно занимаются, прежде всего, автомобилестроительные фирмы в США, Японии, Германии, Франции, Швеции. Каждая фирма, как правило, идет по своему направлению, которое определяется выбором типа энергетической установки и ТЭД, а также схемой компоновки электромобиля [29, 30, 31, 32 и др.].
При оснащении гибридного транспортных средств (ГТС) комбинированной энергоустановкой (КЭУ), сочетающего ДВС и электрический источник энергии, эти преимущества позволяют резко повысить их конкурентоспособность на рынке автомобилей [33].
Известно, что первоначальная стоимость ТС составляет 7-10% от суммарных затрат за весь период его эксплуатации, из которых львиная часть приходится на горюче-смазочные материалы [34]. Эксплуатация автобусов в городах характеризуется годовым пробегом в 80 тыс. км. Малый городской автобус с бензиновым двигателем (типа «ПАЗ») имеет путевой расход топлива в городском цикле не менее 30 л/ 100 км, на что затрачивается 24 тыс. долларов США по мировым ценам, к которым Россия рано или поздно приблизится [35].
Основные показатели, влияющие на КПД суперконденсатора
Импульсные конденсаторы конструктивно представляют собой определенное количество последовательно или последовательно-параллельно соединенных единичных конденсаторных накопительных элементов (КЭ). Удельный заряд Qy() и удельная энергия Еуд в КЭ определяются следующими основными факторами: - величиной удельной поверхности пористого материала электрода; - предельно допустимым напряжением между электродами Unp; - величиной электрической емкости единицы поверхности материала пористого электрода в зависимости от типа материала электрода, диэлектрической среды и величины удельной поверхности; - отношением массы (объема) пористых электродов к массе (объему) "вспомогательных" конструктивных элементов (сепараторы, токоот-воды, герметик, изоляционный и силовой корпус).
Удельная (максимальная или пиковая) мощность Wyd импульсного разряда ИКЭ (ток короткого замыкания) при данных массо-габаритных показателях, прежде всего, определяется полным .внутренним сопротивлением, зависящим от следующих факторов: - электропроводности диэлектрической среды; - электропроводности сепаратора; - электропроводности пористых электродов; - рабочей температуры (влияющей на электропроводность диэлектрической среды).
ИКЭ по своему физическому принципу действия удельным энергетическим показателям, оптимальным зонам применения в технике занимают промежуточное положение между традиционными конденсаторами и электро 48 химическими источниками тока в диапазоне длительности полного разряда порядка 0,1-10 с. Постоянная времени саморазряда туд характеризует время хранения энергии в заряженном и затем отсоединенном от зарядного устройства накопительном элементе. При повышении напряжения заряда КЭ и рабочей температуры хуй уменьшается.
Ресурс ИКЭ характеризуется либо длительностью наработки при постоянно действующем напряжении, либо количеством циклов полного заряда-разряда. Данные характеристики тем выше, чем меньше рабочее напряжение (и удельные энергетические показатели) и чем ниже рабочая температура [58].
Диапазон рабочих температур ограничен снизу температурой минус (60-40) С сверху - (100-120) С. Однако практически максимальная температура может быть существенно ниже из-за стойкости электродных и конструкционных материалов.
Таким образом, в зависимости от эксплуатационных требований (минимальная и максимальная рабочие температуры, наработка при рабочем напряжении, количество зарядно-разрядных циклов, показатели надежности) должна быть установлена соответствующая максимально допустимая величина рабочего напряжения UM Unp.
Указанные выше показатели и характеристики определяются физико-химическими процессами в отдельном конденсаторном элементе ИКЭ. Однако, в силу того, что ИКЭ является низковольтным, при создании изделий на более высокое напряжение КЭ соединяются последовательно в пакеты. При этом возникает техническая проблема гарантированного разделения КЭ по диэлектрической среде, т.к. наличие проводящих "мостов" между КЭ приводит к ухудшению их работоспособности. Данная проблема решается в комплексе путем создания, во-первых, герметичных КЭ; во-вторых, разработкой специальной технологии сборки КЭ и пакетов КЭ; в-третьих, созданием изоляционного корпуса [58].
Величина полной энергии Еабс, запасаемой в отдельном образце, в силу аддитивности ЕабсС, пропорциональна количеству КЭ в изделии, а также величине энергии (емкости) одного КЭ. Создание энергоемких ИКЭ (10 -Ю5) Дж практически возможно только на основе КЭ, имеющих достаточно большую геометрическую площадь электродов (до 102-105 см2), что требует разработки специальной технологии, обеспечивающей, обеспечивающей равномерное распределение материала электрода по навеске и по толщине с точностью = ± 5% при одновременном обеспечении прочности электрода и высокой электропроводности [58].
Требуемые значения рабочего напряжения, запасаемой энергии, внутреннего сопротивления, динамические характеристики и т.д. могут быть получены в процессе оптимизации, с одной стороны, электрической схемы изделия (количество последовательных и параллельных КЭ), так и, с другой стороны параметров самого КЭ.
КЭ представляет собой плоскопараллельную конструкцию, состоящую из двух высокопористых электродов, ионопроводящего сепаратора и двух тонколистовых токоотводов, одновременно являющихся элементами корпуса КЭ. В силу однородности электродов и сепаратора параметры КЭ определя-ются соответствующими параметрами Cyi),Ry() (на 1 см площади) и величиной площади поверхности электродов S [57, 58].
Количество, последовательно соединенных КЭ, N определяется допустимым напряжением КЭ, максимальной рабочей температурой и требуемым ресур 50 сом ИКЭ [57, 58]. Взаимосвязь удельных, геометрических параметров КЭ и электрических характеристик изделия определяется следующими соотношениями: - Номинальное напряжение изделия
В области более коротких длительностей разрядных импульсов (менее 0,01 с) использование ИКЭ становится менее эффективным в сравнении с традиционными конденсаторами практически по всем техническим применениям, за исключением режимов, в которых требуется выдача серии коротких импульсов в течении ограниченного периода времени.
ИКЭ, в сравнении с первичными и вторичными ХИТ, имеет существенно (в 10-100 раз) меньшую величину удельной энергии. По сравнению с ХИТ преимущества- ИКЭ реализуются в области достаточно коротких разрядов (менее 5-10 с) за счет более высокой удельной мощности (в 2-10 раз) при су-щественном (в 10-10 раз и более) росте количества циклов полного заряда-разряда (рис. 2.3).
Комбинированная энергоустановка для сельскохозяйственной техники
Характер изменения нагрузки тракторного двигателя Сельскохозяйственный трактор конца 90-х годов - это, в основном, полноприводная машина, оснащенная малоповреждающими почву шинами увеличенного профиля, экономичным двигателем, передней и задней навеской с быстродействующей сцепкой, многодиапазонной коробкой передач с автоматическим переключением передач без разрыва потока мощности и Но по-прежнему основным эксплуатационным показателем машинно-тракторного агрегата (МТА) является его производительность.
Выполнение многих сельскохозяйственных работ производится при условии ограничения движения МТА, небольших величинах тягового сопротивления (боронование посевов, культивация междурядий и др.) которые не дают возможности использовать всю мощность тракторного двигателя и не позволяют использовать наиболее экономичные режимы его работы.
Кроме того особенности тягового режима трактора, заключающиеся в том, что силы сопротивления движению тракторного агрегата имеют неустановившейся характер и во время работы непрерывно колеблются в довольно значительных пределах. Колебания нагрузки происходят в результате влияния микрорельефа поля, неоднородности почвы, особенностей технологического процесса выполняемой сельскохозяйственной операции, неравномерности сопротивления качению и многих других факторов.
Колебательный характер нагрузки вызывает необходимость резервировать некоторую часть мощности тракторного двигателя для преодоления систематически возникающих пиковых сопротивлений движению.
В связи с необходимостью иметь резерв мощности тракторный агрегат приходится комплектовать таким образом, чтобы его средний приведенный к коленчатому валу момент сопротивления был несколько меньше номиналы- , ного крутящего момента двигателя. Поэтому при определении потребной мощности тракторного двигателя при тяговом расчете учитывают резерв мощности в пределах 15-20 % [79].
Таким образом, трактор может работать с высокими значениями тягового КПД только в определенном диапазоне тяговых усилий на крюке. Чем больше отклонение тяговые усилия в ту или другую сторону за пределы указанного диапазона, тем интенсивнее снижается тяговый КПД. Т.е. производительность агрегата в большей степени зависит от соответствия параметров трактора и характера механической характеристики двигателя данным условиям работы [80, 81].
Следующим немаловажным показателем на сегодняшний день является экологическая безопасность сельскохозяйственного производства.
Можно отметить, что из всех отраслей народного хозяйства сельское хозяйство в наибольшей степени зависит от загрязнения окружающей среды. Использование в качестве топлива угля и мазута приводит к выбросу огромного количества тяжелых металлов, попадающих в почву [82].
Так как изменение сопротивления при постоянной скорости движения трактора в момент выполнении им сельскохозяйственных операций носит колебательный характер, т.е. имеются экстремумы функции (максимум и минимум), необходимо установить на трактор КЭУ, основной частью которой является СНЭ, способный отдать энергию при возрастании нагрузки и запасти от первичного источника энергии (ДВС - генератор, ЭХГ и др.) при ее снижении [83, 84, 85, 86].
Для рассмотрения основных показателей, определяющих характер изменения момента сопротивления (Мс) на валу ТЭД, предположим, что во время выполнения сельскохозяйственной операции трактор на каком-то участке движется равномерно, почва имеет одинаковый растительный покров, влажность почвы и механические показатели при этом остаются постоянными. Тогда нагрузку можно изобразить графиком, представленным на рис. 3.8:
Вторым показателем является период изменения Т, характеризующий изменение данного компонента момента сопротивления. Чем больше период Т, т.е. чем больше по времени нарастание Мс, тем значительнее влияние этого нарастания на работу ТЭД.
Динамика же изменения момента сопротивления представляет собой сложную периодическую функцию, которую можно представить в виде составляющих синусоид разных колебаний, из которых одно основное колебание имеет наибольший период.
Определение параметров суперконденсаторов
Таким образом, эффективность использования суперконденсатора для нагрузки на уровне КЭУ снижается, когда его выходная мощность падает. Подборы показывают, что 110 Ф, RC=5,0 с суперконденсатор дает такую же эффективную область по напряжению как и 84 Ф, 1,0 с суперконденсатор. Это значит, что «медленный» суперконденсатор должен быть в 1,3 раза тяжелее чем «быстрый» суперконденсатор, для того чтобы подойти к такой же области начального рабочего напряжения. «Эффективная» область изменения напряжения на суперконденсаторе в этом применении зависит от его RC т. е. его выходной мощности.
Рис. 4.10 показывает энергетические потери в суперконденсаторе за один цикл для обсуждаемых величин RC-временной постоянной. Для RC=0,1 с, энергетические потери за один цикл составляют 1,7 кДж. Для ROl,0 с потери составляют 10 кДж. А для RC=5,0 с эта величина составляет 94 кДж, что в 55 раз больше чем в первом случае. Приблизительно 315 кДж энергии втекает и «вытекает» из суперконденсагора в течение одного цикла. Так для RC=5,0 с приблизительно 30% энергии были бы потеряны на внутренние потери. Следовательно, самый «быстрый» суперконденсатор обладает более оптимальными техническими характеристиками, потому что имеет лучшую эффективность использования энергии.
Энергетические потери на одном цикле Вопрос контроля тепловыделения также важен. Более быстрый суперконденсатор представляет меньше проблем, потому что его внутренние энергетические потери меньше. Следовательно, это потребует меньшего оборудования по контролю тепловыделения и предположительно уменьшит габариты всей системы в целом.
Исходя из этих двух доводов, оптимальный суперконденсатор не обязан обладать самой большой удельной энергоемкостью. Выходная мощность сильно влияет на технические характеристики системы.
В конечном итоге, результаты подбора показывают, что 84 Ф суперконденсатор, имея RC-временную постоянную порядка 5 с будет соответствовать заложенному конструкцией уровню нагрузки в КЭУ.
Суперонденсаторы, имеющие большие временные постоянные, обеспечивают меньшие области эффективного напряжения и большие внутренние энергетические потери. В таких случаях величина емкости может быть увеличенной, чтобы удовлетворить специфической временной диаграмме мощности при приемлемом коэффициенте полезного действия во время цикла.
Исследования проводились на экспериментальном действующим ГТС выполненном на базе ВАЗ 21213 при выполнении городских ездовых циклов с максимальной скоростью движения 36 км/ ч, 48 км/ ч и магистрального SAE J 227а - 70 км/ ч. Исследования проводились в два этапа. На первом этапе в качестве СНЭ были использованы суперконденсаторы, на втором этапе АБ. В качестве суперконденсаторов были установлены соединенные параллельно 3 шт. ИКЭ МНПО «ЭКОНД» по причине их приемлемой стоимости и самим низким внутренним сопротивлением (суперконденсаторы фирм Maxell и Epcos вышли за 5 с диапазон, и не пригодны для использования из-за невозможности «выдачи» достаточной мощности), в качестве АБ соединенные последовательно 8 шт. OPTIMA D750S, как наиболее используемые в электромобилях и ГТС в России и выдерживающие разряд «большими» токами.
Жизненный цикл, цикловглубокий разрядпо стандарту SAE J240 (для запуска ДВС)при использовании в электромобиле, при разряде током численно равным 50 % номинальной емкости, при сохранении 80% емкости. -35010000-12000 циклов 220 циклов
Помимо этого вместо коробки передач и раздаточной коробки был установлен вариатор фирмы COMET Industries для привода переднего моста от ДВС.
Современные методы исследования сигналов и управления процессами предполагают использование измерительно-вычислительного комплекса, обобщенная схема которого приведена нарис. 4.12.
Центральной частью такого комплекса является персональный компьютер со специальным программным обеспечением, который управляет работой всех остальных компонентов в реальном времени и осуществляет постэкспериментальный анализ и визуализацию сигналов и результатов анализа.
Входной измерительный тракт комплекса составляют датчики, усилители, фильтры и АЦП. Каждому из этих устройств присущи собственные точностные характеристики, важные для выполнения достоверных измерений.
В качестве программной среды проведения исследований был использован интегрированный аппаратно-программный комплекс CONAN (Контроль процессов и Анализ сигналов) (рис. 4.13), предназначенный для планирования исследований, анализа сигналов, мониторирования и управления в реальном времени в различных научных и технических приложениях
