Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 22
1.1 Тенденции развития малозагрязняющих транспортных средств 22
1.1.1 Историческое развитие электромобилей 22
1.1.2 Оценка влияния доли транспорта на загрязнение окружающей среды 23
1.1.3 Оценка эффективности использование энергии электромобилем 27
1.1.4 Современные концепции развития электромобилестроения 34
1.2 Опыт использования комбинированных энергоустановок на тягово-транспортных средствах 39
1.3 Опыт использования суперконденсаторов на тягово-транспортных средствах 50
1.4 Опыт использования ЭХГ на транспорте 58
1.5 Сравнение ЭХГ с ДВС для транспортных и передвижных установок 67
1.6 Технологии энергосбережения и проектирования 72
1.7 Цели и задачи исследования 74
Глава 2. Анализ характеристик электрохимического генератора и суперконденсатора для использования в комбинированных энергоустановках тягово-транспортных средств 77
2.1 Характеристики электрохимического генератора 77
2.1.1 Напряжение и вольтамперная характеристика топливного элемента 77
2.1.2 Основные характеристики топливных элементов 84
2.1.3 Основные системы ЭХГ 93
2.1.4 Основные параметры ЭХГ 101
2.1.5 Оптимизация напряжения элементов в ЭХГ 110
2.2 Характеристика суперконденсатора 113
2.2.1 Общие сведения 113
2.2.2 Статические энергетические потери 115
2.2.3 Динамические энергетические потери 115
2.3 Комплекс электрохимического генератора с накопителем энергии в качестве преобразователя мощности 120
2.4. Выводы по главе 3 120
Глава 3. Математическое моделирование переходных процессов при совместном функционировании электрохимического генератора с суперконденеатором на тягово-транспортном средстве 123
3.1 Математическое описание процесса заряда суперконденсатора от электрохимического генератора и разгона тягово-транспортного средства . 123
3.2 Расчет процессов в системе электропривода
3.2.1 Система электропривода с ЭХГ и суперконденсатором 126
3.2.2 Система электропривода с электрохимическим генератором 131
3.2.3 Система электропривода с суперконденсатором 132
3.3 Расчет параметров суперконденсатора и электрохимического генератора 133
3.4 Процесс заряда суперконденсатора при регенеративном торможении.. 137
3.5 Принцип функционирования системы накопления совместно с первичным источником энергии 139
3.6 Выводы по главе 3 144
ГЛАВА 4. Моделирование и экспериментальное исследование гибридного тягово-транспортного средства на базе разработанной математической модели 145
4.1 Алгоритм работы комбинированной энергоустановки 145
4.2 Моделирование работы гибридного тягово-транспортного средства в режимах ездового цикла 148
4.2.1 Определение параметров суперконденсаторов 148
4.3. Выводы по главе 4 155
Глава 5. Экономическая эффективность совместного использования электрохимического генератора и супер конденсатора в тяговом электроприводе 156
5.1 Составляющие факторы экономической эффективности 156
5.2 Годовая экономическая эффективность в эксплуатации 157
5.3 Технико-экономическая эффективность в народном хозяйстве 158
5.4 Годовая эффективность за счет улучшения экологии 158
5.5 Экономическая эффективность на заводе 159
5.3 Выводы по главе 5 164
Общие выводы 165
Литература
- Тенденции развития малозагрязняющих транспортных средств
- Напряжение и вольтамперная характеристика топливного элемента
- Математическое описание процесса заряда суперконденсатора от электрохимического генератора и разгона тягово-транспортного средства
- Алгоритм работы комбинированной энергоустановки
Введение к работе
Начиналось все с открытия М. Фарадеєм законов электролиза в 1834 году. Он первым провел серию опытов, связанных с прохождением электрического тока через различные электролиты (растворы солей, раствор серной кислоты и другие) и, по существу, создал первый гальванический элемент. Первый же водородно-кислородный топливный элемент (ТЭ) (вернее, его действующая модель) был собран в 1839 году британским судьей Уильямом Гроувом, который свободное время отдавал изобретательству. Исследуя разложение воды на водород и кислород, он обнаружил побочный эффект - электролизер вырабатывал электрический ток.
Химические реакции в ТЭ идут на специальных пористых электродах (аноде и катоде), активированных металлами платиновой группы, где химическая энергия, запасенная в водороде и кислороде, эффективно преобразуется в электрическую энергию. Водород окисляется на аноде, а кислород (или воздух) восстанавливается на катоде.
Катализатор на аноде ускоряет окисление водородных молекул в водородные ионы (Н+) и электроны. Водородные ионы (протоны) через мембрану мигрируют к катоду, где катализатор катода вызывает образование воды из комбинации протонов, электронов и кислорода. Поток электронов через внешний кругооборот производит электрический ток, который используется различными потребителями.
Напряжение, возникающее на отдельном ТЭ, не превышает 1,1 В. Для получения необходимой величины напряжения ТЭ соединяются последовательно в батареи, а для получения необходимой мощности батареи ТЭ соединяются параллельно. Такие батареи ТЭ вместе с элементами газораспределения и терморегулирования монтируются в единый конструктивный блок, называемый электрохимическим генератором (ЭХГ).
Электрический ТОК
Таошшй Н2 (Водород) ;;; Oi (Кийлород) из воздуха Taum(BS"C) (ВодмоЯ или ындуишиЯ радиатор)
Рециркуидх* юшиш
Воздух * кодіноя reap
Газоднффузмомний імітрод (Лвад)
Й1ШГ41(1(1
ГаадиффуаюиниЯ шаг ірод (Катод)
Каталнчаїор
Протпнообмеишя мсибрши
Осеш твердополимерного (протонообменного) топливного элемента T=SD-C
0, Н,0
Т-80*С (РЕРС) 1=2001: (PAFC) т=650Х; т-iomt
Окислитель (»1 ІТ> 4J анода
ГОЮТО анода
Анод Электролит Катод
Электрохимические реакции в различных типах ТЭ
Существуют различные типы ТЭ. Их обычно классифицируют по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, а также по характеру применения.
Наибольшее распространение получила классификация топливных элементов по типу электролита как среды для внутреннего переноса ионов (протонов). Электролит между электродами определяет операционную температуру и от этой температуры зависит тип катализатора.
Выбор топлива и окислителя, подаваемых в ТЭ, определяется, в первую очередь, их электрохимической активностью (то есть скоростью реакции на электродах), стоимостью, возможностью легкого подвода топлива и окислителя в ТЭ и отвода продуктов реакции из ТЭ.
ТЭна расплаве карбоната (MCFC)
ТЭ на твердых оксидах (SOFC)
Использует расплавленную смесь лития/калия (или лития/натрия) для проведения ионов карбоната от катода к аноду. Рабочая температура -приблизительно 650С, что позволяет использовать топливо напрямую, без какой-либо дополнительной его подготовки, и никель в качестве катализатора.
Их конструкция более сложна, чем конструкция ТЭ на фосфорной кислоте, из-за их более высокой рабочей температуры и использования расплава электролита. Им требуется существенное количество времени для того, чтобы они достигли рабочей температуры и смогли реагировать на изменения в потребности в электричестве, и поэтому лучше всего они подходят для условий, где необходима постоянная подача больших количеств электроэнергии. Наибольшее количество подобных установок построено в США и Японии. В США имеется демонстрационная опытная электростанция мощностью 1.8 МВт.
В качестве электролита используется твердый керамический материал (стабилизированная иттрием окись циркония), которая проводит атомы кислорода от катода к аноду при чрезвычайно высокой температуре -свыше 1000С. Это позволяет им использовать относительно загрязненные виды топлива, например, получаемые при газификации угля. Энергетический КПД - около 60%.
Их относительно простая конструкция (обусловленная использованием твердого электролита и самых разных видов топлива) в сочетании с существенным количеством времени, необходимым для того, чтобы они достигли рабочей температуры и смогли реагировать на изменения в потребности в электричестве, делает их подходящими для больших и очень больших стационарных электрогенераторных установок и электростанций.
Ступени преобразования химической энергии традиционным и электрохимическим способами
Электромобили с ТЭ и аккумуляторной батареей (АБ) (последние отличаются самыми низкими из всех энергосредств потерями энергии на борту машины) имеют равные энергозатраты на 100 км пробега. Если же учитывать еще и потери при производстве и передаче электроэнергии, то окажется, что ТЭ экономичнее более чем в 2 раза. Это объясняется очень высоким КПД ТЭ - 70 - 80% при работе на частичной нагрузке и 40 - 50% при максимальной.
Сравнительные характеристики результатов преобразований энергии [1-3]
Для того, чтобы разобраться какие узлы присутствуют в автомобиле, взглянем на рентгеновою схему автомобиля Лада Антел-2. В основу ЭХГ разработки РКК «Энергия» им. СП. Королева положены энергоблоки на основе топливных элементов щелочного типа (AFC), разработанные УЭХК (г. Новоуральск) для космоса и отличающиеся высокой экономичностью и хорошими массогабаритными характеристиками.
Водородно-воздушный электрохимическийгенератор
3»прі»очно« устройство
Блок пиі»ния
Автомобиль Лада Антел-2 2003 год
Система управления
Буферная АКБ
Электрохимический генератор | ii t
Воздух
Принцип функционирования энергоустановки
Установка работает следующим образом, водород, который хранится в баллонах, подается совместно с воздухом, предварительно очищенным от углекислого газа. В состав энергоустановки входит разработанная никель-металлгидридная буферная аккумуляторная батарея, которая, работая совместно с ЭХГ в движении, повышает динамические показатели при разгоне автомобиля. При торможении происходит заряд батареи за счет регенерации энергии (по принципу гибридного автомобиля). Кроме того, энергия батареи используется для разогрева и запуска ЭХГ.
Автомобиль за исключением ЭХГ имеет довольно современные узлы, такие как: тяговый асинхронный электродвигатель мощностью 90 кВт при массе 32 кг, а также система хранения водорода в специальных легких баллонах емкостью 90 л, заправка которых обеспечивает пробег автомобилю до 350 км. При этом новая компоновка силовой части не уменьшает полезный объем автомобиля. Примечательно, что разработчики за 2 года сделали большой шаг вперед по сравнению с предшественником Лада Антэл выполненном на базе ВАЗ-2131 «Нива».
Микроавтобус РАФе ЭХГ 1982 г
Следует заметить, что до начала 90-х гг. Россия была одним из лидеров в области энергоустановок на базе ТЭ (электромобили, авиакосмическая, подводная и наземная спецтехника). В 1982 г. на московской международной выставке демонстрировался микроавтобус на базе РАФ с энергоустановкой на основе воздушно-водородных ТЭ с жидким проточным электролитом, с баллонной системой хранения и буферной серебряно-цинковой АБ, разработанный в ВНИИ Источников тока НПО «Квант». Karl Kordesch, одним из первых, переоборудовал четырехместный автомобиль массой 900 кг, заменив ДВС и некоторые другие устройства, на систему ЭХГ (AFC) мощностью 6 кВт - батарея из 7 свинцовых аккумуляторов напряжением 84 В и общей массой 150 кг. Система хранения водорода обеспечивала энергией 33 кВт ч.
Автобусы Другие Автомобили
Количество транспортных средств с ЭХГ [2]
Первый гибридный автомобиль с ЭХГ и АБ 1970 г (Источник: Apollo Energy Systems, Icelandic New Energy)
С момента первого появления автомобиля с ЭХГ в 1959 году до сегодняшнего дня в мире насчитывается 780 транспортных средств на их основе. Сюда входят все транспортные средства, начиная от велосипедов и мотоциклов и заканчивая подводными лодками и судами. В это количество также входят около 200 энергетических установок, используемых Соединенными Штатами и Россией в космических проектах, но их количество не представлено в диаграмме.
Теперь о том, что говорят о ЭХГ люди, непосредственно связанные с выполнением работ по их коммерциализации. «Технология топливных элементов станет в XXI веке краеугольным камнем для производства электроэнергии» - Ф. Расул, президент энергетической компании Ballard (Канада). «Топливные элементы, вырабатывающие электричество через управляемые реакции, вызывают по сравнению с традиционными ДВС минимальные загрязнения» - Юрген Шремп, в прошлом один из руководителей Daimler-Benz (ныне DaimlerChrysler). «Я уверен, что топливные элементы станут причиной окончательного завершения столетнего господства двигателей внутренного сгорания» Вильям К. Форд, президент компании Ford.
Когда руководители компаний делают категоричные заявления по чисто техническим проблемам, это означает, что они используют свой авторитет, чтобы убедить общественность и, конечно, акционеров в обоснованности огромных инвестиций в инновационные проекты. В США и Западной Европе создание электромобиля с энергоустановкой на основе ТЭ в части финансирования вышло из рисковой стадии, и одновременно с поисковыми опытно-конструкторскими работами ведется масштабная подготовка производства.
Мировой рынок ТЭ, млн. USD [3]
Автобусы с ЭХГразработанные в Китае. Ожидается производство около
100 шт. для перевозки во время Олимпийских игр 2008 года. (Источник: Dalian Institute of Chemical Physics; Tsinghua University)
В настоящее время наиболее подходящими для использования в автомобилях являются ТЭ на протонообменной мембране (PEMFC) и наибольших успехов в разработке и производстве PEMFC достигли компании DuPont de Nemours и Dow Chemical Co, США и Ballard Power Systems, Канада.
MCFC ЭХГ начинают реализоваться после нескольких лет инвестиций.
Слева: 300 кВт ЭХГ на биогазе построенный Japan's Ishikawajima-Harima Heavy Industries. Справа: 250 кВт установка, построенная компанией MTU в городе Essen, Germany, в павильоне, компании RWE (подразделение HDW), которая имеет долю в MTUe бизнесе по ЭХГ. (Источник: Fuel Cell Development Information Centre, MTU)
Слева: лаборатория Японской Газовой Ассоциации (JGA). JGA координирует основной проект в Японии по разработке стационарного ЭХГ. Справа: 5 кВт ЭХГ снабжающий энергией McDonald's в Long Island, USA. (Источник: JGA, LIP А)
Россия и Германия обладают наибольшим опытом создания энергоустановок с электрохимическими генераторами большой мощности. К примеру, в 2003 году была представлена первая коммерческая подводная лодка с ЭХГ PEMFC фирмы Siemens мощностью 300 кВт, спроектированная компанией HDW, и было объявлено о нескольких проектах по разработке тяжелых грузовиков совместно с Cellex Power, Hydrogenics, и Proton Motor. Но, несмотря на достижения, стоимость PEMFC остается очень высокой.
Скорейшей коммерциализации ЭХГ для транспортных средств способствует и использование генераторов для нужд народного хозяйства.
Суммарная мощность эксплуатируемых стационарных систем на ТЭ, кВт
Особенно массовое использование ЭХГ ожидается в мобильных устройствах, таких как ноутбуки.
Исследователи из университета Пенсильвании создали топливный элемент, который работает на доступных и недорогих углеводородах, например на метане и бутане, а не на чистом водороде. В статье, опубликованной в журнале «Nature» (в номере от 16 марта 2000 года), руководитель разработки профессор Raymond Gorte и его коллеги убедительно доказывают, что их установка способна полностью вытеснить водородные топливные элементы.
Вообще говоря, исследователи давно научились получать электроэнергию из углеводородных топливных элементов. Но это достижение оказалось в конечном счете бесполезным: выработка электроэнергии в таких элементах непременно сопровождалась образованием углеродных масс, разрушавших источник питания.
В Пенсильванском университете впервые смогли найти вещества и условия, при которых элемент не загрязняется углеродом. Лабораторные испытания показали, что химическое загрязнение отсутствует по истечении четырех дней непрерывной работы. Профессор уверен, что предельный срок значительно больше.
Проблема была успешно решена после того, как были найдены подходящие материалы, например, анод устройства был изготовлен из оригинального медного сплава - вместо традиционного циркония. В результате элемент четверо суток генерировал мощность 100 Вт при температуре реакции 700С. Причем, подчеркивает профессор, установка выделяла вдвое меньше тепла, нежели тепловой генератор той же мощности.
Hitachi, Casio, NEC и Toshiba разрабатывают ЭХГ для Notebooks с ожидаемой датой продаж в 2005 году. На рисунке два прототипа с ЭХГ (DMFC) разработанной NEC в 2003; баллон изображенный в центре используется для кратковременного перезаряда
Работа исследователей финансировалась чикагским Институтом газовых исследований (Gas Research Institute), главной целью которого является обеспечение жилищ всех граждан США независимыми источниками электроэнергии - теми же топливными элементами, например.
Можно сказать, что главные силы мирового автомобилестроения пришли в движение и, невзирая на потери (т.е. затраты), в тесной координации ведут непрерывный штурм пока еще неприступных позиций -конкурентоспособных альтернативных энергоустановок для электромобилей.
Складываются альянсы, в состав которых помимо автопроизводителей входят разработчики и изготовители новых компонентов, материалов, технологий. Как известно, в последние годы в мировом автомобилестроении заметно активизировались интеграционные процессы, затрагивающие самые крупные компании. Переход автомобилестроения на новую продукцию, имеющую нулевую технологическую преемственность с действующим производством, полностью изменит его структуру в части продукции, технологий, материалов, затрат труда и его содержания.
Транспорт с ЭХГ тогда и сейчас. Справа: Allis Chalmers - гольф кар 1962 года. Слева: концепт Chrysler Jeep представленный в 2003 на Tokyo Motor Show. (Источник: DaimlerChrysler; Ed Gillis)
Потребность в инновационных инвестициях, многократно превышающая их привычный уровень 80-х гг. вынуждает компании вступать в сотрудничество и искать партнеров среди конкурентов. В дальнейшем на нужды конверсии производства и инфраструктуры спрос на ресурсы вырастет еще в разы. Каждому активному участнику перестройки автомобильной промышленности необходимы гарантии в том, что он может рассчитывать на соответствующую часть рынка новой техники.
Можно не сомневаться в том, что на определенном этапе электрофикации дорожного транспорта «международное сообщество» запретит выпуск автомобилей под предлогом загрязнения среды. Учитывая, что топливные элементы постепенно распространяются на другие типы мобильных машин и малую энергетику, потери для российской экономики окажутся в буквальном смысле убийственными.
Российские предприятия способны производить самые дешевые и самые эффективные протонные мембраны для ТЭ. Имеются разработки нескольких типов ЭХГ.
РКК «Энергия» им. СП. Королева имеет большой опыт создания установок для космических аппаратов. В 1992 году в Европейском центре космических исследований и технологий (ESTEC) в Голландии, при испытаниях данных энергоблоков, проведенных по инициативе компании DASA/Дорнье, были подтверждены высокие выходные параметры и удобство эксплуатации блоков. Установка для космического аппарата имеет номинальную мощность 300 кВт, коэффициент полезного действия не менее 70%, удельный расход кислорода при номинальной мощности - 0,336 кг/кВт ч, удельный расход водорода при номинальной мощности - 0,042 кг/кВт ч.
ОАО СКБК - одна из ведущих в России организаций, имеющая реальный опыт создания и сдачи энергоустановок с электрохимическим генераторов большой мощности. В сложившейся кооперации контрагентов ОАО СКБК готово по заданию заказчика в течение 2-4 лет (в зависимости от уровня мощности и энергоемкости) разработать, изготовить и поставить ЭХГ самого высокого класса мощностью от 10 до 600 кВт (кратковременно до 4000 кВт), энергоемкостью от 100 до 100000 кВт ч, удельной энергоемкостью 150-200 Вт ч/кг или 200-250 Вт ч/л со всей обеспечивающей инфраструктурой (в том числе АЗС) как для морских, так и наземных объектов, которые нуждаются в высококачественной электроэнергии, когда важны высокий КПД, малые габариты оборудования, малошумность, экологическая чистота и небольшие выделения тепла.
Это немало, но к сожалению, научно-технический задел, которому в буквальном смысле нет цены (в данный промежуток времени его невозможно ни воспроизвести собственными силами, ни купить за рубежом), не получил такого широкого прикладного развития для гражданского транспорта, которое мы видим в США и Европе. Однако, в конце 2003 года крупная отечественная коммерческая компания «Норильский никель» приняла участие в финансировании работ по разработке ЭХГ через Российскую Академию Наук. Компания планирует выделять по 40 млн. USD в год на развитие рынка использования палладия, который используется в ЭХГ, и пока это единственный пример.
Тенденции развития малозагрязняющих транспортных средств
Появление ДВС более века тому назад и их применение на автотранспорте погубило появившиеся ранее электромобили с аккумуляторными батареями, которые оказались неконкурентоспособными по пробегу, стоимости и эксплуатационным показателям. Первый российский электромобиль был массой 1120 кг при удельной энергоемкости аккумулятора 134 Вт ч/км и составлял 30...40% полного веса. При скорости 15...18 км/ч подзарядка аккумуляторов требовалась через 64,2 км пути [1].
С тех пор автотранспорт с ДВС завоевал мир, однако многие называют его чумой 20-го века. Интересно отметить, что в 1897 году в США после первых континентальных автомобильных гонок на приз газеты «Чикаго Трибюн», где первое место занял электромобиль, один из разработчиков которого выступил с докладом в Смитсоновском институте об угрозе задымления городов автомобилями с бензиновыми двигателями [1]. Прошло столетие, и, как это ни парадоксально, именно совершенствование автотранспорта приводит к возрождению электромобилей как более экономичного, эффективного и, главное, менее загрязняющего окружающую среду транспортного средства.
Использование аккумуляторных батарей в качестве основного источника энергии электромобиля предполагает принцип движения «от розетки до розетки», что, в свою очередь, требует кардинального изменения инфраструктуры заправки.
Возможно, как ни странно, что негативную (обратную поставленным целям) роль сыграли те жесткие требования, которые предъявлялись к тяговым источникам энергии, поскольку они настраивали проектировщиков на нереальное достижение предельных показателей сразу по всему комплексу параметров.
В целом, выбор стратегии создания электромобилей на основе аккумуляторов был недостаточно продуман. Обычно при создании аккумуляторного электромобиля говорят о необходимости «демонстрации идеи», отработки технического решения по какому-либо узлу. Однако массовое увлечение демонстрационными проектами привело к дискредитации электромобильной техники в целом в общественном сознании.
Оценка влияния доли транспорта на загрязнение окружающей среды
На сегодня транспорт один из основных загрязнителей атмосферного воздуха. По данным МПР России его доля в общем объеме выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных и подвижных источников по России составляет 42,6% (2001 год), что выше, чем доля любой из отраслей промышленности. По видам транспорта выбросы загрязняющих веществ распределяются следующим образом: 94,57% от общего выброса приходится на автомобильный транспорт, 1,61% - на дорожные машины; 1,53% - на железнодорожный; 1,21% - на речной и морской и около 1,08% - на воздушный транспорт.
Транспортный комплекс России продолжает развиваться. Вредному воздействию загрязнения воздуха транспортными выбросами на уровне повышенного и недопустимо высокого риска для здоровья подвергаются не менее 15 млн. горожан.
Доля автотранспорта Москвы в загрязнении атмосферного воздуха достигает 85-90 %. Транспортный комплекс сохраняет лидирующее положение в шумовом воздействии на население. В зонах сверхнормативного загрязнения атмосферного воздуха проживает примерно 10-15 млн. горожан, а численность населения, находящегося в зонах с превышением допустимого уровня шума на 5-30 дБА, составляет не менее 30 млн. человек.
Оценки риска заболевания населения в масштабах страны показывают, что под воздействием выбросов транспортного комплекса ежегодно онкологическим заболеваниям могут подвергаться дополнительно примерно 1000 человек городского населения. Вероятное количество людей, подверженных неонкологическим заболеваниям (прежде всего заболеваниям верхних дыхательных путей) в связи с загрязнением воздуха транспортными выбросами, достигает нескольких миллионов человек.
В 2001 г, численность автомобильного парка возросла на 3,9% и составила 26,4 млн. автотранспортных средств, включая 21,23 млн, легковых автомобилей, 4,5 млн. грузовых автомобилей (менее 3 тонн составляют 25 % парка, от 3 до 6 тонн - 60 % и более 6 тонн - 15 %) и 0,663 млн. автобусов. Средний возраст автомобильного парка остается значительным и составляет в целом по стране около 10,5 лет, а в отдельных регионах России - от 9,4 до 13,6 лет.
На основе статистической отчетности ГИБДД ГУВД г. Москвы доля автотранспортных средств, соответствующих требованиям Евро-1, составляет менее 20 %; структура топливопотребления легковыми автомобилями с бензиновыми двигателями составляют 94% парка, с дизелями - 1 %; грузовые автомобили/автобусы с бензиновыми двигателями - 60 %/24 %, с дизелями - 38 %/75 %; с газовыми двигателями 2 %/1 %; государственный экологический контроль охватывает около 90 % парка автотранспортных средств.
В условиях слабой организации сбора и утилизации брошенных и разукомплектованных автомобилей (ежегодно примерно 1,2 млн. ед.) обостряется проблема захламления городских территорий, загрязнения почв и водных объектов отходами автотранспорта.
На рисунке приведен расход энергии в отдельных стадиях продолжительности жизненного цикла (ПЖЦ) автомобиля. Наибольшие затраты энергии приходятся на стадию эксплуатации автомобиля. Затраты энергии на стадии производства (включающей добычу сырья, производство материалов, топлива и изготовление автомобиля) составляют 45% от затрат энергии при эксплуатации автомобиля [4].
Напряжение и вольтамперная характеристика топливного элемента
Топливный элемент характеризуется определенными параметрами. Важной характеристикой, от которой зависят другие параметры, является напряжение ТЭ.
Напряжение, измеряемое на клеммах работающего ТЭ (U), отличается от э.д.с. ТЭ из-за поляризации и омического падения напряжения U = E-AE-Ir (2.1) где I - ток, протекающий в ТЭ; г - внутреннее омическое сопротивление элемента. Поляризация элемента состоит из поляризации анода АЕа и поляризационного катода АЕК АЕ = №а + АЕк (2.2)
В свою очередь анодная и катодная поляризации слагаются из электрохимической и концентрационной поляризации. Подставив в (2.1) уравнение (2.2), получим
Графическая зависимость между напряжением и током ТЭ получила название вольтамперной кривой. Уравнение (2.2а) является аналитическим выражением вольтамперной кривой для частотного случая. При очень малой плотности тока концентрационная поляризация очень мала. Тогда напряжение ТЭ равно: где r0M - омическое сопротивление единицы сечения электролита, Ом-см , гп - поляризационное сопротивление Ом-см Как следует из (2.1) - (2.3), напряжение ТЭ зависит от многих факторов. Напряжение уменьшается с увеличением нагрузки ТЭ. Это является отличительной особенностью ТЭ. Соответственно напряжение ТЭ можно повысить, уменьшая ток. Напряжение зависит от тока обмена на катоде и аноде, т.е. от природы анодных и катодных реакций, типа катализатора, температуры и концентрации (давления) реагентов. Применяя активные катализаторы, повышая температуру и концентрацию (давление) реагентов, можно увеличить напряжение.
Из уравнений (2.2а) и (2.26) видно, что напряжение можно повысить, увеличивая габаритную поверхность электродов. Однако при этом растут масса и объем ТЭ. Более целесообразно повышать удельную истинную поверхность электродов, например, применением пористых электродов. В соответствии с теорией пористых электродов поляризацию можно снизить, а напряжение повысить применением электродов с оптимальной структурой, сочетающей высокую удельную поверхность и высокую проницаемость для реагентов (эффективный коэффициент диффузии) и ионов (эффективную удельную электропроводность).
Напряжение растет с увеличением предельного тока на электроде, т.е. с увеличением концентрации (давления) реагентов, температуры и при использовании принудительной подачи реагентов.
Из уравнения (2.1) следует, что напряжение зависит от омического сопротивления внутри ТЭ. Так как проводимость металлов значительно выше проводимости электролитов, то омическое сопротивление элемента в основном определяется сопротивлением электролита. Исключение составляют случаи очень тонких и больших по площади электродов или плохого контакта токоотводов с электродом.
Из уравнений (2.2а) - (2.3в) видно, что омическое сопротивление ТЭ можно снизить, а клеммовое напряжение повысить путем уменьшения расстояния между электродами / и увеличения площади электродов Sr. А также путем подбора электролита, имеющего высокую электрическую проводимость.
Как известно, ионной проводимостью обладают водные и неводные растворы электролитов, расплавленные электролиты и твердые электролиты. Наиболее простыми в эксплуатации и наиболее стабильными при невысоких температурах ниже 200СС, обычно используются водные растворы электролитов. Как известно из электрохимии, наибольшую подвижность имеют ионы водорода и гидроксила, поэтому применяют растворы кислот и щелочей, имеющих высокую электрическую проводимость. Важным достоинством растворов щелочей по сравнению с растворами кислот являются их меньшая коррозионная активность. В растворах щелочей при 100С и ниже, кроме платины, устойчивы никель, золото, серебро, железо, цирконий, титан, магний, кадмий и другие. С точки зрения электропроводимости, стоимости, стоимости и доступности наиболее целесообразно применение едкого калия. Поэтому в настоящее время в качестве щелочного электролита ТЭ применяется раствор КОН.
Математическое описание процесса заряда суперконденсатора от электрохимического генератора и разгона тягово-транспортного средства
Для математического описания электромагнитных процессов системы тягового электропривода (СТЭП) необходимо выбрать расчетные схемы для отдельных режимов ее работы. В соответствии с описанным в предыдущем разделе алгоритмом работы систем работы необходимо отдельно рассчитать режим заряда ИКЭ от ЭХГ и режим совместной работы. Для этого воспользуемся следующими общепринятыми допущениями:
1) ЭХГ на расчетной схеме представляется в виде Э.Д.С. ЕБ (напряжение на ЭХГ при отключенной нагрузке) и внутреннего сопротивления г6\
2) ИКЭ имеет линейные электрическую емкость С, внутреннее сопротивление гс и напряжение заряда (на выводах в отключенном состоянии) ес;
3) Т и Д в соответствии со схемой замещения полупроводниковых элементов представляются соответственно в виде пороговых напряжений UOT, Uod и дифференциальных сопротивлений гт, Гд\ 4) электродвигатель представляется в виде последовательно соединенных омических сопротивлений и индуктивностей обмоток якоря и возбуждения г гя + ге, L LH+Levi. противо-Э.Д.С. е, зависящей от изменения частоты вращения якоря 5) соединительные провода учитываются включением в расчетную схему сопротивлений отдельных участков Г„/, Г„2, ... 6) Ч, U h, і - токи соответственно ЭХГ, ИКЭ, заряда ИКЭ и якоря электродвигателя.
При составлении расчетной схемы заряда ИКЭ в системе принято также, что развиваемый стартером электромагнитный момент М меньше тормозного момента Мт (приведенного момента сопротивления всех вращающихся масс), электродвигатель заторможен и его противо-Э.Д.С. е равна нулю (это допущение соответствует истине и подтверждено расчетом и экспериментально).
Конфигурация расчетных схем режима пуска дизеля ясна из описания принципиальных схем, приведенного в предыдущем разделе. Как следует из описания, пуск состоит из 2-х этапов. На первом этапе ЭХГ и ИКЭ подключаются к электродвигателю параллельно в виде комбинированного источника питания ЭХГ + ИКЭ, а на втором этапе работа продолжается только от ЭХГ.
Система тягового электропривода от комбинированного источника питания ЭХГ + ИКЭ с позиций теоретической электротехники относится к разветвленной нелинейной электрической цепи [37-43]. Нелинейность обусловлена, главным образом, наличием в цепи стартера электрической машины с сериесным возбуждением, математическая модель которой описывается группой дифференциальных и алгебраических уравнений, включая уравнение движения якоря.
Э.Д.С. электродвигателя, как известно из курсов по электромагнитному расчету электрических машин Є = к-Ф О), (3.11) а момент электродвигателя М=к-Ф-І, (3.12) 1 Р где к = N, 2я а р - число полюсов электродвигателя; а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря; N- число проводников обмотки якоря; Ф - магнитный поток, Вб.
Согласно теории магнитных машин в двигателях с сериесной обмоткой возбуждения магнитный поток является некоторой функцией тока якоря Ф = а(І), зависящей от степени насыщения магнитопровода [40]. Эта функция может быть аппроксимирована, например, гиперболической функцией ф = = a.ff (3.13) а + Ъ1 постоянные коэффициенты "а" и "Ь" которой определяются по рабочему участку кривой холостого хода электродвигателя. При расчетах без учета насыщения коэффициент может быть принят независящим от тока (а » Ь). Приведенный момент инерции J = Jcm + , (3.14) і2 где Jcm момент инерции якоря электродвигателя; Jep - момент инерции всех вращающихся масс системы запуска; / - передаточное отношение. Система уравнений решается со следующими граничными условиями: при t = 0 i = 0; ic = 0; is -0; а = 0; ес - ЕБ при t = ti ic = 0.
При достижении током ИКЭ нулевого значения он отключается и работа электродвигателя продолжается при питании только от ЭХГ. Уравнение электрического равновесия будет иметь вид: di Es = (re + r„] + rn2 + r)d + e + L— (3.15) dt Расчетное уравнение запишется следующим образом: di ЕБ е r6 + rnl + rn2 + r = J (3.16) dt L L Это уравнение решается совместно с (3.10), (3.11) и (3.12) в течение заданного интервала времени.
Уравнения математической модели, принятой для расчета электромагнитных процессов в системе тягового электропривода с ИКЭ (3.6 -3.16), могут быть решены аналитически при условии постоянства магнитного потока в зазоре стартера в процессе работы [32-43]. Это условие используется как в расчетах на ПК на данном этапе, так и в аналитических расчетах на основании того, что в режиме трогания и вращения М = /. В этом легко убедиться на примере электродвигателя ПТ 125, для которого по экспериментальным данным магнитный поток меняется от 0,016 до 0,018 Вб.
Учитывая, что в пусковом режиме указанные электрические машины работают при насыщенном магнитопроводе, условие постоянства магнитного потока является допустимым для инженерных расчетов.
С другой стороны, аналитические выражения важны для физического представления протекающих процессов и позволяют проводить оперативные расчеты требуемых пусковых характеристик и параметров ИКЭ.
Алгоритм работы комбинированной энергоустановки
Система автоматического регулирования (САР) предназначена для распределения энергии, вырабатываемой КЭУ, между ТЭД и ЭХГ в соответствии с их предельными и частичными характеристиками, обеспечивающими заданный режим движения ТТС. Для выполнения этой главной функции к САР предъявляются, как правило, следующие основные требования: обеспечение режимов работы КЭУ (пуска, разгона до установившейся скорости, регенеративного торможения, выбега и др.) в зависимости от назначения ТТС и его транспортных циклов; формирование характеристик силового электрооборудования КЭУ с минимально допустимыми ошибками; реализация выбранных вариантов управления ТЭД в тяговом и тормозном режиме; обеспечение требуемых показателей количества переходных процессов; необходимое распределение нагрузок между ТЭД при прямолинейном движении и при повороте ТТС; согласование режимов работы ЭХГ и КЭУ для наиболее экономичного использования последней; защита агрегатов КЭУ от превышения предельно допустимых значений параметров.
Первоначальными управляющими воздействиями (от водителя ТТС) в САР приняты ow и Отор - угловые перемещения педалей аппаратов управления электроприводом соответственно в тяговом и тормозном режимах, отсчитываемые от нейтрали. Нейтральным положением педалей (углы оСтяг и Отор) считается такое, при котором отсутствует воздействие на них водителя ТТС. Аналогами указанных педалей на автомобилях с механическими или гидравлическими (гидромеханическими) трансмиссиями являются педали подачи топлива и тормоза. Нажатие водителем той или иной педали приводит к формированию на выходе САР задающего электрического сигнала /гож,(или итар).
Обеспечение заданного диапазона изменения угловой скорости озд двигателя постоянного тока (ДПТ) требует наряду с регулированием напряжения ид управления магнитным потоком, осуществляемого контуром регулирования Фд у ДПТ с системой возбуждения любого типа.
Если отказаться от плавного регулирования магнитного потока и перейти к ступенчатому, можно значительно упростить схемное решение. 0)л
На рис. 4.1. представлена структурная схема контура регулирования угловой скорости ДПТ смешанного возбуждения со ступенчатым изменением магнитного потока в тяговом режиме. Контур выполнен на усилителях У, и У2, работающих в релейном режиме. Количество усилителей соответствует числу ступеней. Так как регулирование потока ДПТ в этой схеме производится в функции тока 1д, то при определенном значении тока сигнал Udm открывает У, и его выходной сигнал воздействует на переключающее устройство Пи шунтирующее обмотку последовательного возбуждения ОВП. При дальнейшем снижении тока 1д (увеличении скорости движения электромобиля) включающегося устройства Пг осуществляется шунтирование резистором обмотки независимого возбуждения ОНВ или реверсирование тока в ней.
Одновременно с регулированием возбуждения ДПТ происходит регулирование угловой скорости напряжением электродвигателя.
В тяговом режиме ТТС при нажатии водителем педали АТГ угол 0СтЯГ преобразуется в задающий сигнал Uc, который подводится к системе управления СУ. Для контроля заданных значения напряжения ТЭД введена жесткая отрицательная обратная связь по напряжению с передаточным коэффициентом [52-122].
Таким образом, контур управления ДПТ можно рассматривать как систему автоматического регулирования по отклонению тока от заданного значения.
