Содержание к диссертации
Список сокращений 4
Введение 5
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 10
1.1 Обзор существующих принципов и законов управления КЭУ.
Структуры КЭУ 10
1.1.1 .Структуры КЭУ и компоновки КЭУ 10
1.1.2. Принципы и законы управления КЭУ 16
Критерии оценки эксплуатационных показателей ЭМ 20
Цели и задачи исследования 24 Глава 2. Особенности построения математической
модели электромобиля с комбинированной энергоустановкой 27
2.1 Особенности построения математической модели ЭМ с КЭУ 27
2.2. Разработка упрощенной математической модели ЭМ с КЭУ 30
Алгоритм расчета режимов движения 31
Расчет сопротивления движению ЭМ 31
Алгоритм расчета параметров тягового ЭД для периода разгона ЭМ 35
Алгоритм расчета потерь в ЭД 36
Алгоритм расчета параметров ДВС 37
Алгоритм расчета параметров электропривода для
периодов установившегося движения и торможения ЭМ 39
Алгоритм расчета параметров аккумуляторной батареи 39
Методика оценки итоговых показателей ЭМ с КЭУ 42
Программа расчета параметров ЭМ с КЭУ 42
Обобщение и оценка результатов исследований 48
Расчет цикловых параметров 48
Оценка итоговых показателей работы ЭМ 50
2.5. Разработка математической модели ЭМ с КЭУ с детализацией
алгоритма расчета параметров элементов привода 51
Алгоритм расчета нагрузочных режимов 51
Алгоритм расчета параметров тягового двигателя 55
Алгоритм расчета параметров аккумуляторной батареи 58
Алгоритм расчета параметров управляемого электромеханического звена 69
Алгоритм расчета запуска ДВС 76 2.6. Выводы по главе 2. 82 Главе 3. Машинная программа расчета параметров электромобиля с комбинированной энергоустановкой 83 3.1. Машинная программа расчета параметров ЭМ с КЭУ 83 Глава 4. Комплексная оценка эффективности
электромобиля с комбинированной энергоустановкой 97
4.1. Комплексная оценка эффективности ЭМ с КЭУ 97
4.1.1. Обзор существующих методов оценки и выбор
критерия эффективности ЭМ с КЭУ 97
Скаляризация векторного критерия качества. Преобразование ЧПК 105
Определение коэффициентов важности частных показателей качества 115
Программная реализация метода оценки эффективности
с помощью комплексного показателя качества 121
Экспериментальные исследования адекватности математической модели 126
Выводы по главе 4 133 Общие выводы 134 Список использованных источников 136
Список сокращений
АБ, АКБ - аккумуляторная батарея
ВКК - векторный критерий качества
ДВС - двигатель внутреннего сгорания
КЭУ - комбинированная энергоустановка
ТАБ - тяговая аккумуляторная батарея
ТИР - транзисторно-импульсный преобразователь
УЭМЗ - управляемое электромеханическое звено
ЧПК- частный показатель качества
ЭД - электродвигатель
ЭМ - электромобиль
Введение к работе
Наличие в комбинированных энергетических установках (КЭУ) электромобилей (ЭМ) достаточно большого числа контролируемых параметров и независимо связанных исполнительных механизмов, а также необходимость реализации оптимизированных законов управления, требует применения средств вычислительной техники - бортового микропроцессорного счетно-управляющего устройства.
В результате работы были исследованы и разработаны алгоритмы функционирования такого устройства.
Технические требования к микропроцессорной системе управления, а также к датчикам, исполнительным механизмам определялись в результате расчетов на математической модели и стендовых испытаний физической модели.
Применение комбинированной энергетической установки, управляемой микропроцессорной системой, позволит эффективно аккумулировать и использовать кинетическую энергию электромобиля и избыток мощности ДВС, что обеспечит наилучшее распределение потоков энергии от ДВС и системы электротяги.
Проблемы уменьшения потребности страны и светлых нефтепродуктах и предохранения окружающей среды от загрязнений автотранспортом приобретают в последние годы все большее народнохозяйственное значение. Это обстоятельство и определяет необходимость проведения работ, направленных на уменьшение удельных расходов топлива автотранспортом, снижение токсичности отработавших газов ДВС, создание экологически «чистых» транспортных средств. Предпринятые попытки широкого внедрения для целей решения внутригородских транспортных задач ЭМ не дали желаемого результата. Это связано, в основном, с ограниченностью запаса хода ЭМ от одной зарядки тяговой аккумуляторной батареи (ТАБ) из-за их низкой энергоемкости используемых химических источников тока.
Стремление ограничить зону работы ДВС автомобиля, с целью обеспечения наиболее экономичных режимов, с точки зрения расхода топлива и токсичности отработанных газов, с одной стороны, и стремление увеличить запас хода ЭМ при одновременном уменьшении массы аккумуляторной батареи (АБ), с другой стороны, привели к так называемым, ЭМ с гибридным приводом.
ЭМ с КЭУ (гибридный ЭМ) - это транспортное средство, в котором для создания силы тяги используются два или несколько различных источников энергии.
ЭМ с КЭУ, в состав которых входят два источника энергии - ДВС и АБ, являются наиболее предпочтительными и наиболее известными. Исследования ЭМ с КЭУ выполненные с такими источниками энергии проводились и проводятся во многих странах различными фирмами (Toyota, Honda, Ford, Lucas Chloride EV System, General Electric, FIAT, Volkswagen A.G., Briggs & Stratton и др.).
ЭМ с КЭУ как и «чистые» ЭМ разрабатываются в основном на базе серийно выпускаемых автомобилей. Однако встречаются и оригинальные конструкции. Например, легковой ЭМ с КЭУ фирмы Briggs & Stratton (США) [1] который, в связи с расположением АБ в задней части кузова, имеет две задние оси, одна из которых ведущая. Полные массы проектируемых ЭМ с КЭУ лежат в широких пределах от 20000 кг - у автобуса на 99 пассажиров фирмы FIAT до 1360 кг - у легкового 4-х местного автомобиля Electro Austin А 40 (ФРГ) [2] ЭМ с КЭУ полной массой до 2000 - 2500 кг оснащается обычно карбюраторными ДВС, а свыше - дизельными. Мощность ДВС и ТЭД колеблется в широком диапазоне, что определяется как массой ЭМ, так и структурой КЭУ и алгоритмом ее работы.
Большинство ЭМ с КЭУ оснащаются свинцово-кислотными батареями (кроме автобуса FIAT [1], оснащенного кадмий никелевой АБ), отношение массы которых к полной массе ЭМ составляет 0,1 - 0,17, и в некоторых случаях достигающее 0,3 (Briggs & Stratton) [3].
Наличие в КЭУ большого числа объектов управления, а значит, контролируемых и управляющих сигналов, исполнительных механизмов и органов управления, с одной стороны, и необходимость реализации оптимальных законов управления, с другой стороны, приводит к большому усложнению системы управления КЭУ.
Для решения указанных задач управления КЭУ в последнее время применяют специальные счетно-управляющие устройства на базе микропроцессорной техники. Фирмой General Electric (США) по заказу Департамента энергетики создан легковой 5-й местный ЭМ с КЭУ HTV-1 полной массой 2100 кг по параллельной структурной схеме. Функции контроля и управления КЭУ выполняются сдвоенным микрокомпьютером Intel 8086. выполняемые функции заключаются:
в выборе режима работы КЭУ в функции задаваемой водителем мощности, скорости движения ЭМ и степени разряженности АБ;
в управлении совместной работой ДВС и тягового электродвигателя (ТЭД);
в управлении муфтой сцепления ДВС;
в управлении переключением трехступенчатой автоматической коробкой передач;
- в расчете оптимального момента подключения ДВС в зависимости от
степени разряженности ТАБ и температуры электролита;
в регулировании и стабилизации тока заряда АБ;
в диагностике системы управления;
в информации водителя о работе и параметрах ЭМ.
Стратегией управления данным ЭМ является сведение к минимуму потребления бензина при соответствующей производительности. Опытный образец ЭМ WTV-1 потребляет жидкого топлива на 44% меньше, чем соответствующий автомобиль [3].
В РФ были предприняты попытки создания ЭМ с КЭУ, выполненные как по параллельной, так и по последовательной структурной схемам.
Автобусы, выполненные по последовательной схеме, не принесли ожидаемого эффекта.
Микроавтобус с КЭУ, выполненный на базе микроавтобуса РАФ при испытаниях в цикле НАМИ-2 обеспечивал экономию топлива в размере 27-30%.
Основной задачей исследования являлось создание системы управления приводом ЭМ с КЭУ, требующее глубокого анализа и оптимизацию параметров КЭУ, разработки и экспериментальной проверки алгоритмов управления. Основными методами исследования были выбраны методы математического моделирования физических объектов, их многократного анализа и оптимизации, дополняемые физическим моделированием и экспериментальными стендовыми исследованиями.
С этой целью разработана математическая модель имитации движения ЭМ с КЭУ в цикле с предварительным расчетом характеристик ЭМ. Эффективность ЭМ с КЭУ оценивается по ряду показателей, рассчитываемых в модели: минимальному расходу топлива, удельному расходу электроэнергии, суммарным энергетическим затратам, себестоимости выполненной транспортной работы, запасу хода ЭМ без дополнительной подзарядки АБ.
Физическое моделирование при исследовании факторов определяющих алгоритм управления КЭУ, а также исследованиях и отладке алгоритма управления производилось на испытательном комплексе для исследования энергетических установок транспортных средств. В состав комплекса входят силовые установки КЭУ, элементы имитации нагрузки и управляющий комплекс.
В нашей стране, начиная с 70 годов, был проведен ряд теоретических и практических работ направленных на исследование КЭУ и создания эффективных ЭМ с КЭУ.
Все предшествующие исследования проводились применительно к КЭУ последовательной структуры. Основными посылками при этом было то,
что таким КЭУ не присуща механическая сложность трансмиссии и у них есть теоретическая возможность достижения запасов хода таких же как у автомобилей. В работах исследовано множество аспектов эффективности, проектирования ЭМ с КЭУ, разработаны методики расчетов и выбора параметра КЭУ, проведены исследования аккумуляторных батарей, режимов движения ЭМ. В результате созданы образцы ЭМ с КЭУ последовательной структуры (ЛАЗ 4202 КЭУ и ЭМ созданные ЕрЛИ и НАМИ) не дали ожидаемой экономии топлива, а, в некоторых случаях, имели и перерасход по сравнению с аналогичными автомобилями.
