Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния работ 7
1.1 Эксплуатационная надежность электромобилей 7
1.2. Исследование влияния нестационарных нагрузок 16
1.3. Аналитические выражения связей между интенсивностью износа и параметрами, характеризующими режимы работы двигателя 25
1.4. Выбор критерия для сравнительной оценки интенсивности износа двигателя на различных режимах работы 32
1.5. Цели и задачи исследования 41
Глава 2. Обзор и анализ принципов управления системой ДВС — трансмиссия 43
2.1. Управление системой ДВС-Т на основании дросселирования ДВС 43
2.2. Управление ДВС на стационарных или квазистационарных режимах работы в зоне минимальных удельных расходов топлива 45
2.3. Анализ влияния автоматизации систем управления ДВС в КЭУ 46
2.4. Обзор принципиальных схем гибридных силовых установок 55
2.5. Моделирование работы ДВС в КЭУ 57
2.6. Алгоритм расчета параметров управляемого электромеханического звена 61
2.7. Выводы по главе 2. 67
Глава 3. Разработка методики диагностирования аккумуляторной батареи 68
3.1 Методика текстового диагностирования тяговой аккумуляторной батареи 68
3.2 Разработка методик и алгоритмов определения значений диагностических параметров 96
3.3. Выводы по главе 3 105
Глава 4. Экспериментальные исследования 106
4.1. Результаты исследований ДВС КЭУ 106
4.2 Экспериментальное определение зависимостей параметров схемы замещения и диагностических параметров аккумуляторов от эксплуатационных факторов 109
4.3. Выводы по главе 4. 114
Глава 5 Экономическая эффективность ЭМ с КЭУ 116
5.1. Определение экономической эффективности КЭУ 116
5.2. Выводы по главе 5 123
Общие выводы
- Аналитические выражения связей между интенсивностью износа и параметрами, характеризующими режимы работы двигателя
- Анализ влияния автоматизации систем управления ДВС в КЭУ
- Разработка методик и алгоритмов определения значений диагностических параметров
- Экспериментальное определение зависимостей параметров схемы замещения и диагностических параметров аккумуляторов от эксплуатационных факторов
Введение к работе
Актуальность работы — При существующих конструкциях трансмиссий с механическими коробками передач, изменение рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания (ДВС) для многих дорожных условий работы тягово-транспортных средств (ТТС) является неизбежной, особенно при работе ТТС в условиях с интенсивным движением, при движении по бездорожью и в особо тяжелых дорожных условиях. Это объясняется тем, что для получения необходимых тягово-динамических показателей работы приходиться часто изменять число оборотов и крутящий момент, развиваемые ДВС на каждой из передач.
Как показал обзор ряда конструкций различных типов автомобильных и тракторных трансмиссий, наиболее целесообразным решением вышеуказанного вопроса является применение электрической трансмиссии, где на вал ДВС установлен генератор электрической энергии. В ТТС, комбинированная энергоустановка (КЭУ) сохраняет динамические качества автомобиля и обеспечивает плавность изменения скорости и крутящего момента ДВС при интенсивном изменении сопротивлений движению путем использования аккумуляторной батареи (АБ) в качестве накопителя энергии (НЭ).
Резюмируя вышесказанное, можно прийти к выводу, что работы в области исследования по повышению работоспособности АБ КЭУ ТТС, работающих в установившемся режиме, являются актуальными и научно целесообразными.
Цель работы — Повышение работоспособности аккумуляторной батареи тягово-транспортных средств с комбинированной энергоустановкой.
Объект исследования - заканомерности поведения аккумуляторной батареи при различных режимах работы ТТС.
Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решались с использованием методов теории управления, математической статистики и моделирования. Основные теоретические результаты сопоставлялись с данными экспериментального исследования на реальном ТТС с КЭУ и лабораторном стенде.
Научная новизна. Заключается в определении диагностического и структурного параметров оценки технического состояния АБ в процессе тестового разряда.
Практическая ценность. По результатам теоретических исследований разработана инженерная методика системы управления ДВС, диагностики и поиска неисправности АБ КЭУ.
Полученные в результате исследования статистические параметры позволяют установить степень надежности использования ДВС и АБ ТТС с КЭУ.
Полученные результаты позволяют правильно выбрать параметры системы диагностики систем КЭУ при проектировании ТТС с КЭУ.
Реализация результатов работы. Предложенные автором алгоритмы управления приняты к реализации. Конкретные положения диссертационной работы нашли применение в опытно-конструкторских разработках.
Публикации. Результаты исследования опубликованы в 5 научных статьях и в 2 патентах на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы, изложена на 135 страницах машинописного текста, включая 42 рисунка, 14 таблиц и библиографический список из 120 наименований.
Аналитические выражения связей между интенсивностью износа и параметрами, характеризующими режимы работы двигателя
Значение вышеуказанных эквивалентных показателей рассмотрено ниже. Из уравнения (1.17) видно, что при неустановившемся режиме износ двигателя du за время dt зависит от интенсивности износа, соответствующего начальному режиму работы, предшествующему неустановившемуся режиму, я значений эквивалентных параметров, влияние которых в два раза больше, чем на сопоставимом установившемся режиме.
Рассмотренные связи между интенсивностью износа и параметрами, характеризующими режимы работы двигателя с помощью аналитических выражений, подтверждают основные положения, высказанные в предыдущем параграфе этой главы. А именно: - на неустановившихся режимах, по сравнению с сопоставимыми установившимися режимами, интенсивность износа двигателя значительно возрастает; - на интенсивность износа оказывает влияние не только величина нагрузочных и скоростных параметров, но и интенсивность их изменения. Многолетний опыт экспериментальных исследований [141] показывает, что для разных режимов работы двигателя можно принять следующие расчетные показатели: - число оборотов коленчатого вала соответствующее 1 км пробега автомобиля; - путь поршня, соответствующий 1 км пробега автомобиля; - путь образующий поверхностью шейки коленчатого вала, соответствующий 1 км пробега автомобиля; - окружная скорость рабочей поверхности шеек коленчатого вала при максимальном числе оборотов двигателя; - максимальное удельное давление на поверхности шеек коленчатого вала. Более поздние исследования [2] показали, что вышеуказанные показатели следует рассматривать как относительные я только с учетом времени работы. Это объясняется тем, что между числом оборотов коленчатого вала или путем, пройденным поршнями, соответствующим 1 км пробега автомобиля и интенсивностью износа существует нелинейная принципиальная связь. Поэтому приведенные показатели следует рассматривать с учетом пути, пройденного поршнями или поверхностью шеек вала в единицу времени, что соответствует относительной скорости скольжения трущихся поверхностей. В этом случае, суммарный путь трения поверхностей, соответствующий пути проходимого автомобилем протяженностью в 1 км, не может служить критерием для сравнительной оценки интенсивности износа. Однако, метод оценки по относительной скорости не является исчерпывающим вследствие того, что в нем не учитывается нагрузка двигателя. Исследования, проведенные в Государственном научно-исследовательском институте автомобильного транспорта [97] показали, что для оценки интенсивности износа двигателя, работающего при различных режимах работы, следует принимать условную работу двигателя, выполненную при прохождении автомобилем равных участков пути. На наш взгляд с помощью этого критерия можно объективно оценивать влияние различных режимов работы на интенсивность износа двигателя. С этой целью, в качестве сравнительного критерия, принят показатель, выражающий условную работу, представляющую собой произведение крутящего момента, развиваемого двигателем, на угловую скорость коленчатого вала за определенный промежуток времени. Промежуток времени, назначаемый при эксперименте, зависит от количества продуктов износа, попадающих в систему смазки, обусловливается достоверностью анализа пробы масла. Условная работа, выполняемая двигателем, при установившемся режиме за время ty, пшено выразить уравнением: Ау=Меу у у (1.18) где: Меу - крутящий момент, развиваемый двигателем; 0)у - скорость вращения коленчатого вала; ty . время работы двигателя на установившемся режиме; Для неустановившегося режима относительная работа может быть выражена уравнением: где: eW- функция изменения крутящего момента двигателя по времени, при неустановившемся режиме; a (t) - функция изменения скорости вращения коленчатого вала по времени; t0r 4 - временные пределы изменения режима. Если изменение режима происходит за время tc, то условная работа, выполненная двигателем на неустановившемся режиме за время t0e будет равна: Для возможности сравнения интенсивности износа на неустановившемся и установившемся режимах, условные работы, выполненные двигателем на этих режимах, должны быть одинаковыми.
Анализ влияния автоматизации систем управления ДВС в КЭУ
Основное отличие данной системы от предыдущей заключается в том, что добавляется электронный блок управления и устраняется возможность водителя влиять на передаточное отношение трансмиссии. Принцип работы такого регулятора основывается на том, что для системы «двигатель» заранее определяют характеристику минимальных расходов топлива. Зависимость а(п) (рис. 2.2), полученная экспериментальным путем, является функцией оптимизации. Положение педали акселератора определяет дросселирование, система управления выбирает такое передаточное отношение, которое обеспечит для данного дросселирования требуемую частоту вращения. Теоретически, такая система должна обеспечивать оптимальную топливную экономичность при работе ДВС во всем диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала. На практике такие системы, как правило, уступают стандартным системам с жестким управлением по показателям топливной экономичности и динамическим свойствам.
Стремясь устранить приведенные недостатки, многие современные автопроизводители пошли по пути синтеза двух различных систем: оптимизированною регулятора и электромобиля. В результате получили целый класс систем с общим названием «гибридные автомобили», подходящих под определение статистически оптимизированных регуляторов.
Основной идеей при создании этих систем было удержание ДВС на стационарных или квазистационарных режимах работы в зоне минимальных удельных расходов топлива. При этом от двигателя отбирается постоянная мощность (номинальная мощность работы ДВС). Очевидно, что для того, чтобы обеспечить движение с различной динамикой в данную систему необходимо включить буферный накопитель энергии, который позволяет накапливать излишки энергии при движении с малой динамикой и отдавать их при движении с уровнем мощности больше номинальной. Существует множество методик выбора наиболее оптимального соотношения номинальной мощности ДВС и емкости буферного накопителя энергии. Как правило, они основываются на принципе полного восстановления энергии в эталонном цикле движения. Для каждого гибридного автомобиля существует определенный, минимально гарантированный, уровень мощности, который соответствует мощности, которую обеспечивает система при полностью разряженном накопителе энергии. Этот уровень мощности, в среднем, на 30...40% ниже максимального уровня мощности аналогичного автомобиля с жесткой системой управления. При движении в городском цикле гибридные автомобили используют два типа преобразования энергии: тройное (ДВС -генератор - преобразователь - электродвигатель - колесо) и пятикратное (ДВС - генератор - преобразователь - накопитель - преобразователь -электродвигатель - колесо).
Принцип работы таких систем основывается на том, что ДВС работает в зоне минимальных удельных расходов топлива, ограниченной как по дросселированию, так и по частоте вращения коленчатого вала. Управляющее воздействие водитель оказывает на один из элементов трансмиссии (обычно задастся либо крутящий момент, либо мощность на колене). Существует два случая работы такой системы с избытком мощности ДВС и с недостатком мощности ДВС. В первом случае избыток мощности передается в буферный накопитель энергии, а во втором восполняется недостаток из накопителя.
Основной целью представляемой работы является создание оптимизационного алгоритма управления системой «двигатель трансмиссия» в режиме реального времени.
Достижение поставленной цели возможно при решении следующих задач: выбор цели управления, создание качественной модели ДВС, разработка алгоритма взаимодействия ДВС и трансмиссии для того, что бы получить максимальный эффект необходимо правильно определить цель управления. Поскольку изменением положения педали акселератора водитель всегда добивается определенной динамики движения автомобиля, в качестве, цели управления выбрана «минимизация расхода топлива для заданного ускорения автомобиля». Это означает, что положение педали акселератора определяет ускорение автомобиля. Разработка качественной характеристики ДВС производилась методом регрессионного анализа полной дроссельной характеристики ДВС. В результате были получены полиномы четвертой и второй степени, описывающие зависимость крутящего момента ДВС и удельного расхода топлива, от дросселирования ДВС и частоты вращения коленчатого вала ДВС. Управляющее воздействие на систему.
Основным отличием стандартного автомобиля от предлагаемого является система управления. В большинстве современных автомобилей изменение положения педали акселератора жестко связано с изменением дросселирования ДВС и определяет требуемый уровень мощности для движения автомобиля. Таким образом, оптимизация работы системы производится исключительно за счет изменения передаточного отношения трансмиссии, которое позволяет удерживать ДВС в зоне минимальных удельных расходов топлива.
Разработка методик и алгоритмов определения значений диагностических параметров
Наиболее часто встречающийся вид неисправности свинцово-кислотного аккумулятора связан с коррозией решеток положительных пластин (около 45%) [17]. Это явление связано с электрохимическим взаимодействием свинца решетки с активной массой PbOz в присутствии электролита. В результате в коррозионном слое появляются различные окислы свинца, а также сульфат свинца. При перезарядах, когда на поверхности PbOz выделяется кислород, коррозия решетки возможна и без контакта с электролитом за счет переноса ионов кислорода через слой активной массы [23]. Коррозия положительных решеток приводит к уменьшению сечения их жилок за счет окисления, обжима и вытягивания отдельных жилок плотным слоем окислов. В результате значительно увеличивается сопротивление токовыводов аккумулятора.
Одной из главных причин отказов является осыпание («оплывание») активной массы положительных пластин (до 36%) [27], связанное с условиями формирования сульфата свинца в процессе разряда (температура, величина разрядного тока). В результате оплывания уменьшается количество активной массы, участвующей в электродных процессах. Поддержание разрядного тока достигается за счет увеличения скорости электродных реакций, т.е. увеличения плотности тока. А это возможно только при увеличении сдвига равновесных электродных потенциалов и соответствующего увеличения активационной поляризации электродов [8]. В результате на схеме замещения изменяются параметры контура двойного слоя Гф Cqc (увеличивается активное фарадеевское сопротивление, уменьшается емкость двойного слоя) и контура концентрационной поляризации rnCn за счет изменения структуры активных масс электродов.
Основная причина необратимой сульфатации пластин - длительное хранение аккумуляторных батарей в разряженном состоянии, систематические недозаряды в процессе эксплуатации. Это явление связано с переходом мелкокристаллического сульфата свинца в плотный твердый слой крупнокристаллического сульфата, на котором в процессе заряда вместо восстановительной реакции происходит выделение водорода (на отрицательных пластинах). Вредное действии сульфатации усугубляется адсорбцией на кристаллах сульфата органических добавок, затрудняющих его растворение [8]. Сульфатация вызывает увеличение омического сопротивления го электрохимической части схемы замещения, так как удельное сопротивление РЬС 4 - 105 Ом-м, а РЬ и РЮ4 соответственно 1,83 10 4 и 2.5 КГ» Омм [13].
Короткие замыкания внутри батареи вызываются накоплением высокого слоя шлама на дне моноблока, а также короблением электродов, прорастанием сепараторов, образованием вокруг сепараторов мостиков из активной массы. Это приводит к быстрому саморазряду аккумулятора и уменьшению его внутреннего сопротивления и ЭДС. В составе батареи такой аккумулятор может изменить полярность напряжения за счет переполюсовки при обратном электролизе воды. Сопротивление г0 батареи при этом возрастает. Изменяются также параметры контуров поляризации. Неисправности проводов перемычек между отдельными аккумуляторными батареями в комплекте, окисление клемм, обрывы бареток и пластин приводят к увеличению г1ф схемы замещения.
В процессе разряда аккумулятора происходят значительные изменения структуры и физико-химических свойств активных веществ и электролита. В связи с различными удельными объемами исходных реагентов и продуктов реакции увеличивается объем активных материалов: у отрицательного электрода в 2,5 раза, у положительного — в 2 раза [29]. Изменяется также пористость материалов, определяющая в решающей степени процессы концентрационной поляризации. Так, у стартерных свинцово-кислотных аккумуляторов типа 60Т60 характеристики пористости изменяются следующим образом. На положительном электроде уменьшаются: объем пор в 1,65 раз, суммарная эффективная поверхность пор — в 1,4 раза, масса электролита в порах — в 2,4 раза. На отрицательном электроде уменьшаются: объем пор - в 1,7 раза, суммарная эффективная поверхность пор - в 1,4 раза, масса электролита в порах - в 1,6 раза. Эти структурные изменения при переходе от заряженного состояния к полностью разряженному должны приводить к уменьшению емкости поляризации Сп и изменению сопротивления гп.
Сопротивление электролита аккумулятора изменяется в процессе разряда неоднозначно. С уменьшением плотности в начале разряда оно уменьшается, а затем резко возрастает. Максимум удельного сопротивления электролита 1,3 КГ2 Ом м достигается при плотности 1,22 г/см3 [13]. Поскольку сопротивление электролита составляет большую часть сопротивления га, то оно также изменяется в процессе разряда нелинейно.
Для определения характера изменения общего активного сопротивления схемы замещения rz —га + Гф + гп были проанализированы вольтамперные характеристики тяговых аккумуляторов 63М145, снятые для различной степени разряженности Е = AQ/QHOM при температуре 25С (рис. 3.7) напряжение на клеммах батарей измерялось на 10-й секунде разряда, что обеспечивало завершение переходных поляризационных процессов.
Как видно из рисунка, до Е 40% угол наклона вольтамперных характеристик, пропорциональный п, практически остается постоянным. Однако закономерности изменения составляющих гп и гф требуют дополнительных экспериментальных исследований.
Экспериментальное определение зависимостей параметров схемы замещения и диагностических параметров аккумуляторов от эксплуатационных факторов
На рисунке 5.2 представлены зависимости пробега L, расхода топлива в и себестоимости перевозок от удельного веса электроэнергии в цикле є для различных стратегий управления - КЭУ-Э и КЭУ-А. Из представленных зависимостей следует, что при одних и тех же затратах электроэнергии стратегия КЭУ-А может обеспечить значительно меньшие расходы топлива и иметь более низкие значения себестоимости перевозок. Этот вывод является несколько неожиданным и неочевидным, поскольку конструкции машин иностранных фирм и отечественные образцы ЭМ с КЭУ выполнялись со стратегией КЭУ-Э. Анализ этого результата привел к следующему объяснению: при установившемся движении АБ имеет небольшой ток разряда (/ « 120Л), что существенно влияет на повышение удельных характеристик АБ, т.е отданной батареей электроэнергии (в отдельных случаях 10%). Это обстоятельство приводит к тому, что в цикле можно допустить при той же АБ больший удельный вес электроэнергии, приводящий к снижению расхода топлива.
На рисунке 5.3 представлены проекции линий L = f(sv) на плоскость VE, где для стратегии КЭУ-А и КЭУ-Э представлены пробеги (цифры точек на графиках). Из представленных зависимостей следует, что. Например, при удельном весе электроэнергии в цикле - 30%, можно при стратегии КЭУ-А получить пробег 154км при расходе топлива 9,48 dm2 /100km, тогда как при стратегии КЭУ-Э этот пробег составляет 126 км при расходе топлива №,%dm /\00km. Себестоимость перевозок соответственно будет 2,9 и 3,4 руб/tkm. На рисунке 5.4 и 5.5 приведены зависимости расхода топлива и себестоимости перевозок С от є и v7I для стратегий КЭУ-А и КЭУ-Э. Для различных стратегий определенному уровню расхода электроэнергии в цикле соответствует определенный расход топлива. Себестоимость же перевозок при стратегии КЭУ-А существенно ниже, чем при стратегии КЭУ-Э при одинаковых є. Исследования стратегий управления КЭУ показали, что стратегия КЭУ-А во всех случаях дает лучшие результаты как по себестоимости Св так и по расходу топлива Bs в сравнении со стратегией КЭВУ-Э. Использование стратегии КЭУ-А облегчает режим работы АБ, благодаря чему АБ имеет лучшие показатели по отдаваемой энергии. Учитывая эти результаты была разработана комбинированная стратегия: трогание с места и движение на малых скоростях, когда у 1 и токи АБ не превышают 150-200 А и обеспечивается за счет энергии АБ. Пуск ДВС осуществляется при скоростях движения порядка 15-25 kmlh. После подключения ДВС движение осуществляется за счет энергии ДВС, ТЭД при этом выключается, а движение осуществляется за счет энергии АБ. Такой режим работы КЭУ обеспечил наилучшие показатели работы, т.к. обеспечивается полная загрузка ДВС и рациональная загрузка АБ во всех режимах нагружения. Однако, стратегия, в которой энергия АБ используется для движения с постоянной скоростью, обладает рядом недостатков. К одним из них можно отнести ограниченный запас хода ЭМ на одной подзарядке АБ. Величина этого запаса хода ограничивается количеством электроэнергии, аккумулируемой в АБ, и в большей степени зависит от эксплуатационных факторов (скорость движения). В реальных условиях эксплуатации режимы движения с постоянной скоростью занимают незначительную долю времени, поэтому такой режим работы может не дать благоприятных результатов. 1. Собственная индуктивность батарей 6ЭМ60 и 6ЭМ145 не превышает 1,5 мкГн и может не учитываться в процессе идентификации по переходным динамическим характеристикам. 2. Параметры схемы замещения (кроме С71) изменяют свои значения неадекватно степени разряженности и не могут быть использованы в процессе диагностирования. 3. Установлено, что при удельном весе электроэнергии в цикле - 30%, можно при стратегии КЭУ-А получить пробег 154 км при расходе топлива 9,48 л/100 км, тогда как при стратегии КЭУ-Э этот пробег составляет 126 км при расходе топлива 10,8 л/100 км. Себестоимость перевозок соответственно будет 2,9 и 3,4 р./т км.
