НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Юрченко Олег Миколайович

УДК 621.313: 621.314

КОМБІНОВАНІ СИСТЕМИ ЕНЕРГОЖИВЛЕННЯ

АВТОНОМНИХ ЕЛЕКТРОТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ

Спеціальність 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі перетворення та стабілізації електромагнітних процесів та у відділі транзисторних перетворювачів Інституту електродинаміки НАН України (м. Київ).

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор, академік НАН України Шидловський А. К., головний науковий співробітник відділу стабілізації параметрів електромагнітної енергії Інституту електродинаміки НАН України

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Щерба А. А., завідувач відділу електроживлення технологічних систем Інституту електродинаміки НАН України.

- доктор технічних наук, професор Рябенький В. М., завідувач кафедри теоретичної електротехніки та електронних систем Національного університету кораблебудування Міносвіти і науки України, м. Миколаїв.

- доктор технічних наук, професор Переверзєв А. В., проректор з наукової роботи Запорізького інституту економіки та інформаційних технологій Міносвіти і науки України.

Захист відбудеться 19 ____02________ 2008 р. об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ – 57, проспект Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за вищевказаною адресою.

Автореферат розіслано _16_” _____01_______ 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ю. М. Гориславець

загальна характеристика роботи

Автомобільний транспорт відіграє у житті людини і еволюції суспільства надзвичайно важливу роль. Разом з тим його широкий розвиток створює для людства глобальні проблеми, такі як забруднення повітря в містах, виснаження нафтових ресурсів і розвиток парникового ефекту. Незважаючи на удосконалення двигунів внутрішнього згоряння, ці проблеми вимагають невідкладного рішення.

Основними напрямками розв’язання зазначених вище проблем є впровадження “чисто” електричних транспортних засобів – електромобілів (ЕМ) і різного типу транспортних засобів з комбінованими енергоустановками (КЕУ), які найбільш часто в різній літературі називають або комбінованими транспортними засобами (КТЗ), або гібридними електромобілями (ГЕМ).

Об’єктивні переваги електромобілів - відсутність шкідливих викидів, безшумність, значно менші експлуатаційні витрати, сприяння вирівнюванню добових графіків навантажень електростанцій та ін. – загальновідомі, доведені та підтверджені практикою застосування.

В той же час головним недоліком електромобілів є відносно невеликий міжзарядний пробіг, що обмежує їх широке застосування. Вирішення цієї проблеми можливе кількома шляхами, найбільш ефективним з яких, на сьогодні, є створення комбінованих (гібридних) систем енергоживлення (КСЕЖ), що складаються з електрохімічного джерела і модуля “двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) – генератор” або системи паливних елементів (ПЕ).

Актуальність теми. Основними напрямками підвищення ефективності функціонування автономних електротранспортних засобів (АЕЗ), покращення їх експлуатаційних характеристик є раціональна організація процесів перетворення коштовної енергії первинного джерела та забезпечення ефективного загального енергообміну у транспортних системах енергоживлення.

За такої постановки задачі її вирішення базується на всебічному дослідженні залежностей енергетичних показників транспортних систем енергоживлення від параметрів управління та навантаження з обовязковим врахуванням обмежень, що накладають первинні джерела (акумуляторна батарея (АБ), ДВЗ, ПЕ і т.п.). Однак, відомі дослідження, існуючі методи та засоби підвищення ефективності КСЕЖ АЕЗ здебільшого стосуються окремих компонентів таких систем і не завжди забезпечують підвищення ефективності систем в цілому, що стримує розвиток автономного електротранспорту. З цього випливає необхідність подальшого розвитку наукових досліджень енергетичних показників систем енергоживлення на основі системного аналізу транспортних електроприводів, розвитку методології раціональної побудови КСЕЖ АЕЗ, методів та засобів управління елементами таких систем, що забезпечить зменшення питомих енерговитрат та шкідливих викидів в атмосферу, збільшення корисного пробігу між зарядами тягового джерела (для ЕМ), покращення експлуатаційних, надійнісних та ергономічних показників автономного електротранспорту.

Вирішенню цих актуальних задач створення, розвитку та підвищення ефективності КСЕЖ автономних електротранспортних засобів присвячена дана дисертаційна робота.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у безпосередньому зв’язку з академічними, галузевими та державними програмами, а саме: за плановими дослідженнями НАН України “Наукові основи електроенергетики” (координаційний план НДР); проблемою “Перетворення параметрів електричної енергії” (розпорядження Президії НАН України №7 від 24.12.92); за темами “Устройство” №ДР 01.86.0.083877, “Стабилизация” №ДР 01.91.0007412 , “Технология” №ДР 0195U015290 від 1994 р., “Параметр” №ДР 0198U008130 від 1998 р., “Технология - 2” №ДР 0199U004405 від 2000р., “Параметр - 2” №ДР 0102U000044 від 2002 р.; за підпрограмою по електротранспорту у межах програми автомобілебудування Мінмашпрому України від 12.10.92; за проектом “Електромобіль” програми ДКНTПП України (5.51.04 “Ресурсозберігаючі проблеми виконавчих та транспортних машин”), 1994р.; за проектом Міннауки України “Коерцитив” (04.08/1830 “Розробка та створення нового класу високоефективних електромеханічних перетворювачів транспортного призначення”, від 26.08.97). Під час виконання перерахованих робіт автором були обґрунтовані задачі дослідження та розроблена методологія оптимальної побудови систем енергоживлення автономних електротранспортних засобів.

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є розвиток теорії побудови високоефективних комбінованих систем енергоживлення автономних електротранспортних засобів за рахунок системного підходу до аналізу енергетичних показників таких систем, розробки принципів їх раціональної побудови і використання нових методів та засобів управління ними.

Досягнення зазначеної мети вимагає вирішення таких задач:

· розробки методу визначення оптимальних, з точки зору енергоефективності, параметрів елементів комбінованих систем енергоживлення автономних електротранспортних засобів;

· розробки нових методів керування комбінованими системами енергоживлення автономних електротранспортних засобів з різними структурами побудови, спрямованих на підвищення енергоефективності, паливної економічності та екологічності таких систем;

· розробки методів та створення засобів для визначення поточного ступеня заряду джерел живлення автономних електротранспортних засобів;

· розвитку системного підходу для досліджень енергетичних показників систем енергоживлення автономних електротранспортних засобів та визначення параметрів оптимального управління перетворювачами у таких системах;

· розробки методу визначення параметрів схеми заміщення джерела струму системи енергоживлення автономних електротранспортних засобів при імпульсному відборі енергії;

· розробки класифікації сучасних автономних електротранспортних засобів;

· розробки методів та створення засобів покращення електромагнітної сумісності елементів систем енергоживлення автономних електротранспортних засобів;

· аналізу експериментальних досліджень в галузі створення високоефективних систем енергоживлення автономних електротранспортних засобів та їх компонентів.

Об’єкт досліджень – процеси енергообміну в системах енергоживлення автономних електротранспортних засобів.

Предмет дослідження – методи та засоби підвищення енергетичної та експлуатаційної ефективності автономних електротранспортних засобів.

Методи дослідження, застосовані в роботі, включають в себе теорію лінійних та нелінійних диференційних рівнянь, теорію електричних кіл, теорію електропривода та електричних машин.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблено новий метод визначення параметрів елементів комбінованих систем енергоживлення автономних електротранспортних засобів, при якому, виходячи з повних витрат енергії КСЕЖ АЕЗ для необхідного циклу руху, з урахуванням питомих показників джерела живлення та його розрядних характеристик, а також стратегії керування визначаються раціональні, з точки зору енергоефективності, параметри основних елементів таких систем.

2. Обгрунтовано та проаналізовано новий метод визначення поточного ступеня заряду джерел живлення автономних електротранспортних засобів, що базується на використанні довідкових таблиць для цих джерел.

3. Розроблено нові методи керування елементами систем енергоживлення комбінованих транспортних засобів, які за рахунок підтримання величини ступеня заряду акумуляторної батареї у необхідному діапазоні дозволяють досягти підвищення енергоефективності, екологічності та паливної економічності таких систем.

4. Розроблено новий метод визначення параметрів схеми заміщення джерела струму при імпульсному відборі енергії, що дозволяє точно обчислювати параметри реактивних елементів цієї схеми для аналітичних розрахунків.

5. Вперше здійснена класифікація сучасних автономних електротранспортних засобів за ознакою їх “екологічної еволюції” від автомобіля до “чистого” електромобіля.

6. Вперше обгрунтовано та проаналізовано метод визначення ефективності двозонного управління перетворювачами у тягових приводах постійного струму з двигунами з незалежним збудженням з позитивним зворотним зв’язком за швидкістю.

7. Розроблено новий метод моделювання процесу розповсюдження кондуктивних електромагнітних завад у системах енергоживлення автономних електротранспортних засобів.

Практичне значення одержаних результатів.

1. На основі запропонованого універсального методу визначення параметрів елементів КСЕЖ АЕЗ та нових методів керування були створені високоефективні транспортні системи енергоживлення різного функціонального призначення, зокрема системи на базі двигуна внутрішнього згоряння та на базі електрохімічного генератора.

2. На базі запропонованих методів визначення ступеня заряду акумуляторної батареї (СЗБ) за допомогою довідкових таблиць та кількості циклів заряд – розряд на основі підрахування від’ємних змін значення СЗБ була розроблена система управління АБ АЕЗ, в якій враховуються всі фактори експлуатації та зберігання батареї з метою підвищення ефективності та продовження терміну служби АБ.

3. Результати теоретичних досліджень енергетичних показників систем енергоживлення АЕЗ з урахуванням нелінійності елементів дозволили підвищити точність та достовірність визначення параметрів оптимального управління перетворювачами цих систем і, як наслідок, створити більш ефективні засоби управління ними.

4. Запропонований пристрій для моніторингу та фіксації параметрів системи енергоживлення комбінованого електромобіля дає змогу здійснити контроль поточного стану тягових акумуляторних батарей, визначення абсолютних та питомих показників споживання та витрат енергії у транспортних системах за умов довільного перебігу енергообмінних процесів.

5. Запропоновані метод прогнозування виникнення кондуктивних завад та спосіб зменшення електромагнітних завад випромінення в АЕЗ дає змогу значно підвищити рівень електромагнітної екологічності таких транспортних засобів.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення та прикладні результати, що містяться в дисертації, отримані здобувачем самостійно. У наукових працях, написаних у співавторстві, безпосередньо дисертанту належить наступне: у роботах [2,3,4,21] - розробка положень загальної концепції побудови засобів визначення стану джерела живлення АЕЗ; у роботах [5,11,12] – розробка принципової електричної схеми перетворювача, дослідження та аналіз його характеристик; у [6,7,8,32] - положення методу та розробка конкретної системи керування на його основі; у [9,19] – порівняльний аналіз отриманих результатів аналітичних та експериментальних досліджень; у [1,10] – аналіз сучасних напрямків розвитку систем електроживлення АЕЗ; у [13] – аналіз енергетичних показників СЕЖ ЕМ на основі отриманих у роботі аналітичних виразів; у [14,15,16,17] - концепція побудови систем електроживлення електромобілів та елементи класифікації КТЗ; у [18,20] - постановка задачі дослідження та одержання аналітичних залежностей; у [22] - положення методу та визначення встановленої енергоємності АБ конкретних ЕМ.

У матеріалах [27-33] ідеї винаходів належать співавторам у рівній мірі.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення та результати досліджень і розробок доповідались на сімнадцяти міжнародних науково-технічних конференціях, трьох галузевих семінарах і нарадах, а саме на: 3-й Міжнародній науково-технічній конференції “Нетрадиционные электромеханические и электрические системы”, Алушта (Україна), 1997 р.; Міжнародних науково-технічних конференціях “Силова електроніка та енергоефективність”, Алушта (Україна), 1998 – 2007 рр.; Міжнародних науково-технічних конференціях “Проблеми сучасної електротехніки”, Київ (Україна), 2000 р., 2002 р., 2004 р., 2006 р.; Міжнародному науково-технічному симпозіумі “The 21-st Worldwide Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium&Exhibition”, Monaco, 2005 р.; Міжнародній науково-технічній конференції “Internationale Konferenz fur Alternative Mobilitat mit begleitender Rallye Programm”, Wismar, Німеччина, 2005р; на науково-технічних нарадах Мінмашпрому України (м.Київ) та Управління головного конструктора АТ АвтоЗАЗ (м.Запоріжжя).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 49 наукових праць, в тому числі 1 монографія, 33 статті у фахових наукових виданнях (4 статті написані самостійно), 2 авторських свідоцтва СРСР, 6 патентів України, 7 тез доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертаційної роботи.

Дисертація складається з переліку умовних позначень, вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел із 131 найменування та 4 додатків. Загальний обсяг роботи становить 295 сторінок, у тому числі 264 сторінки основного тексту, 121 рисунок, 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність та доцільність виконання роботи, сформульовані мета та задачі наукового дослідження, викладено наукову новизну, практичне значення та відомості щодо реалізації результатів дисертації, її апробацію та публікації за темою досліджень.

У першому розділі розглянуто загальну структуру комбінованої системи енергоживлення АЕЗ, проведено аналіз та оцінку існуючих методів, спрямованих на підвищення ефективності таких систем.

Система енергоживлення АЕЗ являє собою електротехнічний комплекс (рис.1), базовими складовими якого є джерело живлення (ДЖ) (воно може бути як однокомпонентним – АБ у ЕМ, так і багатокомпонентним – КТЗ на базі ДВЗ або електрохімічного генератора (ЕХГ)), блок силових перетворювачів (СП) (у загальному випадку це перетворювачі тягового електроприводу (ТЕП), зарядних пристроїв (ЗП), вторинних джерел живлення (ВДЖ) тощо), система управління (СУ) та тяговий електродвигун (ТЕД).

Управління цією системою виконується опосередковано - діями на блок перетворювачів, які, в свою чергу, забезпечують енергообмін між джерелом живлення та активним, тобто таким, що споживає та генерує енергію, компонентом навантаження - тяговим електродвигуном.

Рис.1

Дослідженням елементів та КСЕЖ в цілому присвячено велику кількість робіт вітчизняних та зарубіжних вчених. Найбільш визначними є роботи Л. В. Бірзнієкса, О. Г. Булатова, І. В. Волкова, Т. А. Глазенко, А. Г. Грабовецького, В.Т.Долбні, Ю.І.Драбовича, І. С. Єфремова, В. Я. Жуйкова, Ю. І. Конєва, В. О.Лабунцова, В. І. Нєкрасова, В. Б. Павлова, Г.Г.Півняка, Е.М.Ромаша, В. С. Руденка, В. М. Скіданова, А. К. Шидловського та ін.

Великий внесок у вирішення проблеми підвищення ефективності СЕЖ ЕМ зроблено науковцями лабораторії електромобілів ІЕД НАН України. Тут була розроблена методологія, що дозволяє виконати дослідження енергетичної ефективності систем енергоживлення ЕМ з точки зору ККД як поелементно, так і на системному рівні. За допомогою цієї методології було проаналізовано низку схем як тягового, так і допоміжного електрообладнання електромобілів.

Зокрема, автором за допомогою цієї методології було проведено аналіз енергетичних показників СЕЖ комбінованого широтно-імпульсного регулятора [18] та силового перетворювача для джерел живлення низьковольтних бортових споживачів [20]. Були отримані залежності ККД окремих елементів та СЕЖ в цілому від параметрів керування та навантаження, та були визначені рекомендації щодо оптимального, з точки зору загального ККД СЕЖ, управління такими системами.

Завершує перший розділ обґрунтування основних напрямків підвищення ефективності КСЕЖ АЕЗ, а саме: оптимального вибору конфігурації та параметрів окремих елементів КСЕЖ, поліпшення енергетичних показників елементів та системи привода в цілому, організації якомога повнішої утилізації енергії машини, що гальмується, та впровадження методів та засобів управління, яке забезпечує оптимальне регулювання енергообмінних процесів на системному рівні; формулювання задач наукового дослідження.

У другому розділі застосування системного аналізу поширено на дослідження енергетичних показників СЕЖ АЕЗ з урахуванням нелінійності елементів таких систем.

Одним з основних елементів СЕЖ АЕЗ, параметри якого залежать від багатьох факторів, є акумуляторна батарея. Правильне визначення параметрів схеми заміщення АБ для даного функціонального призначення має велике значення для подальшого аналізу цієї системи.

Рис.2

Параметри схеми заміщення джерела струму не можуть на сьогодні визначатися аналітично. Такі схеми заміщення будуються на основі прямих вимірів складових повного внутрішнього опору. Найбільш адекватна, на думку автора, схема заміщення АБ наведена на рис.2. Тут застосовано такі позначення: ЕАБ – ЕРС джерела живлення; RП та CП – поляризаційні опір та ємність; RА – омічний опір; LАБ – індуктивність АБ.

В роботі проаналізовані існуючі методи визначення параметрів схеми заміщення АБ і зроблено висновок, що існуючі модифікації імпульсного методу не забезпечують точного визначення необхідних параметрів хімічних джерел струму високої енергоємності, а методи змінного струму не дають можливості визначити залежність поляризаційного опору від струму і є досить трудомісткими в реалізації на практиці.

Для більш точного визначення параметрів повного опору автором запропоновано метод, що грунтується на порівнянні змінних у часі монотонних функцій напруги зі змінною по амплітуді і протяжності обвідною відеоімпульсів, яка має аналогічний характер зміни. Порівняння вказаних монотонних функцій напруги з обвідною відеоімпульсів відбувається на екрані запам’ятовуючого осцилографа, причому існує можливість регулювання амплітуди імпульсів обвідної і періоду слідування імпульсів (рис.3).

Рис.3 а,б

Автором також розроблено вимірювальний пристрій, за допомогою якого були проведені необхідні дослідження.

Визначення складових повного внутрішнього опору проводилось при різноманітних значеннях струмів (33, 50, 125, 175, 250А), ступенях заряду АБ (0, 0.16, 0.32, 0.48, 0.64, 0.8, 0.96), температур (-15, 0,+10, +25, +40 С0) для десяти різноманітних акумуляторів з усередненням отриманих даних та наступним згладжуванням числових значень.

Отримані експериментальні залежності для RА, RП, CП та ЕАБ були апроксимовані аналітичними виразами:

RА = kA1 + kA2 (T) (kA3 +D),

RП=(kП1+0,53(1-D))(1-(ln(I))/kП2),

TП = kС1 (1+0,64(1-D) + kC2I,

Е= 1,71 + 0,16 exp ((1-D)/0,07)+0,03D,

де kA1, kA3, kП1, kП2, kС1, kС2 - сталі величини; kA2 (T) – коефіцієнт, що характеризує залежність від температури; D – ступінь заряду батареї (СЗБ).

Запропонований підхід і пристрій є універсальним і може бути використаний при дослідженні АБ будь-якого електрохімічного складу. Отримані результати були використані в подальших розрахунках енергетичних показників СЕЖ АЕЗ з урахуванням нелінійності елементів [13].

Рис.4

В роботі розглядалась СЕЖ електромобіля постійного струму (рис.4), в якій використовується тяговий електродвигун з незалежним збудженням.

Тут АБ – тягова акумуляторна батарея; К1 і К2 - транзисторні ключі кола якоря і обмотки збудження відповідно; Д1 і Д2 – зворотні діоди кола якоря і збудження відповідно; Я– якір тягового двигуна; ОЗ – обмотка збудження тягового двигуна.

Пунктирними лініями виділені структурні елементи та контури (1 – 5), для яких за методикою, наведеною у [13], має бути обчислений ККД.

Схема заміщення силової частини системи електроживлення ЕМ у режимі тяги для відкритого стану ключів К1 (0 < t < ti) і К2 матиме вигляд наведений на рис.5, ti – тривалість імпульсу (відкритого стану К1).

Рис.5

Тут EД – проти - ЕРС двигуна; iА, iС та iАБ – активний, ємнісний і сумарний струми АБ; іЯ й іОЗ – струми якоря й обмотки збудження відповідно; RK1, RK2, RЯ та RОЗ – активні опори транзисторних ключів К1 і К2, якоря та обмотки збудження ТЕД відповідно; LЯ та L ОЗ – індуктивності якоря та обмотки збудження ТЕД відповідно.

Беручи до уваги той факт, що величина поляризаційної ємності АБ сягає кількох тисяч фарад, поляризаційна стала часу приблизно дорівнює 0,5 с, а робочі частоти сучасних силових перетворювачів перевищують 10 кГц, можна вважати, що iC << iА.

Найбільш важливою для визначення ККД системи електроживлення є залежність від струму навантаження. Тому, надалі вважатимемо ЕАБ, RА та LАБ сталими величинами, визначеними для стандартних умов, а саме - ступінь заряду АБ D = 0,5, температура навколишнього середовища t = 250C. Поляризаційний опір АБ, за тих самих умов, буде визначатися залежністю, наведеною на рис.6 (средня лінія).

Після апроксимації цієї залежності загальний опір АБ можна представити у вигляді:

RАБ = RП (iАБ) + RА = RАБ (iАБ); RАБ (iАБ) = RАБ0 (1+ к1/(к2 + іАБ)).

Другим елементом системи, нелінійність якого було враховано при дослідженні, є індуктивність якоря ТЕД. Через те, що немає точного аналітичного виразу для індуктивності якоря ТЕД постійного струму при імпульсному живленні на практиці використовують результати експериментальних досліджень або характеристики, надані виробником.

В даному випадку автор скористався залежністю LЯ (іЯ) (іЯ – середній струм якоря) тягового електродвигуна ПТ-125, на прикладі якого проводяться розрахунки, наданою у його

Рис.6

технічних характеристиках фірмою розробником (рис.7). Ця характеристика наведена для частоти комутації 10 кГц.

Аналітичний вираз, що описує індуктивність якоря ТЕД, отриманий після апроксимації залежності рис.7, має вигляд:

LЯ ( iЯ ) = LЯ0 (1+ к / іЯ),

Для подальшого аналізу були прийняті наступні припущення: струм у ланцюзі якоря безперервний; напівпровідникові прилади – безінерційні ключі.

Рис.7

Крім того, цілком доцільно прийняти, що ІОЗ << ІЯ (ІОЗ – середній струм обмотки збудження). Для двигуна ПТ-125 ця різниця досягає 10 разів.

На рис.8 зображена схема заміщення, що випливає зі схеми рис.5 з урахуванням прийнятих припущень. Тут R1 = RА + RП + RK1 + RЯ, L1 = LA + LЯ,

E1 = EA -EД. Тому:

R1 = RАБ0 (1+ к1/(к2 + і1)) + RK1 + RЯ = R01 (1+ а1 / (а2 + і1)); (1)

L1 = LA + LЯ0 (1+ к / і1) = L01 (1 + в / і1),

де R01= RАБ0+RK1+RЯ; L01=LЯ0+LА;

а1 = к1 RАБ0 / R01; а2 = к2;

в = к LЯ0 /L01.

Диференційне рівняння, що описує процеси в схемі рис.8, має вигляд:

L01(di1/dt)+і1R01(1+а1/(а2+і1))=Е1. (2)

Рис.8

Після деяких перетворень для розділення змінних рівняння (2) буде мати вигляд

(а2 / (Аі1 2 + Ві1 + С) + і1 / (Аі1 2 + Ві1 + С)) di1 = dt, (3)

де А = - R01 / L01 ; В = (Е1 - R01 а1 - R01 а2) / L01 ; С = Е1 а2 / L01.

Розв’язок рівняння (3) залежить від співвідношення між коефіцієнтами квадратного рівняння Х = Аі1 2 + Ві1 + С. У даному випадку D = 4АС – В2 < 0. Тому розв’язок рівняння (3) має вигляд

, (4)

де С1 – стала, що визначається з початкових умов.

Аналогічно був розглянутий режим паузи, коли ключ К1 вимкнено (ti<t<T). Тут Т – період комутації ключа К1. На рис.9 зображено схему заміщення системи тягового приводу електромобіля, що відповідає цьому режиму роботи. Тут R2 = RД + RЯ, де RД – активний омічний опір зворотного діода Д1 рис.5.

Рівняння електричного стану схеми має вигляд:

LЯ (di2 / dt) + i2 R2 + EД = 0. (5)

Рис.9

Точний розвязок рівняння (5) має вигляд:

і2 (t) =( - EД /R2 )(1 – exp(-t (R2 /LЯ))) + I02 exp(-t (R2 /LЯ)), (6)

де I02 = i2(0).

Аналогічно були проведені розрахунки і для режиму рекуперативного гальмування ЕМ.

Базуючись на результатах розвязання рівнянь електричного стану схеми за допомогою методики [13] було отримано залежності ККД елементів і системи привода в цілому від параметрів управління і навантаження для режимів тяги та рекуперації. Врахування нелінійності внутрішнього опору АБ та індуктивності якоря ТЕД дало змогу підвищити точність отриманих результатів на 8%.

У третьому розділі розроблено класифікацію сучасних автономних електротранспортних засобів за ознакою їх “екологічної еволюції” від автомобіля до “чистого” електромобіля і виконано дослідження, результати яких у сукупності дозволяють раціонально, з точки зору енергоефективності, екологічності та паливної економічності, підібрати компоненти КСЕЖ АЕЗ.

Названа вище класифікаційна ознака максимально коректна у випадку найбільш поширених на сьогодні КТЗ з ДВЗ, але для повного висвітлення питання до основної класифікації включені і інші ТЗ

На рис.10 представлена класифікація транспортних засобів, до складу яких входять різні типи первинних джерел енергії [16].

На рисунку прийняті наступні позначення: С-батарея суперконденсаторів; КАЕ - Г - кінетичний акумулятор енергії з електрогенератором; МПЕ - батарея метал - повітряних елементів; ПЕ - батарея паливних елементів; СБ - сонячна батарея; ЕМБ - електромобіль із бустерним пристроєм; КЕМ - комбінований електромобіль; КА - комбінований автомобіль; А - автомобіль.

Рис.10

В роботі проведено аналіз функціонального призначення та перспектив впровадження наведених в класифікації конкретних АЕЗ.

Дослідження, спрямовані на визначення оптимальних параметрів КСЕЖ АЕЗ складаються із декількох етапів.

Як випливає із наведеної класифікації АЕЗ (рис.10) кінцевою метою підвищення екологічності ТЗ є створення “чистого” ЕМ. Структура системи енергоживлення цієї машини є найбільш простою, порівнюючи із КСЕЖ, тому розгляд зазначеного вище питання починався саме з ЕМ. В роботі запропоновано метод точного визначення (ще на етапі проектування ЕМ) встановленої енергоємності АБ – показника, що є найважливішим для забезпечення основної характеристики такого виду транспортного засобу - заданого міжзарядного пробігу. В основу запропонованого метода покладено такий підхід, при якому, виходячи з повних витрат енергії ЕМ з урахуванням питомих показників джерела живлення та його розрядних характеристик, визначається реальна встановлена енергоємність АБ, що забезпечує заданий пробіг машини [22]. У цьому випадку для ЕМ, що проектується, задається необхідний міжзарядний пробіг, вантажопідйомність і маса екіпажної частини. Для такої машини виводяться формули для визначення всіх складових частин витрат енергії АБ при розгоні та прямолінійному русі ЕМ і на їхній основі – загальний вираз, що пов’язує витрати енергії АБ з параметрами ЕМ та його міжзарядним пробігом. З отриманого виразу, з урахуванням питомої енергоємності батареї, визначається встановлена енергоємність АБ електромобіля. Слід зазначити, що, враховуючи недетермінований характер руху в місті, всі обчислення проводились у відповідності до стандартних (для ЕМ) європейських міських циклів руху SAE j227.

Вираз для визначення величини енергії, що відбирається від АБ при розгоні та прямолінійному русі ЕМ за стандартним циклом SAE j227С має вигляд:

WЦ=((0,5 mdaV+mgfVC1+kB FЛ VC13)ta+(mgfV + kB FЛ V3) tcr) / hМ hПр , (7)

де m = mЕК + mВ + mАБ; mЕК – сумарна маса екіпажної частини ЕМ; mВ- вантажопідйомність ЕМ; mАБ - маса АБ; d - коефіцієнт, що враховує інерцію частин, що обертаються; а – прискорення на ділянці розгону діаграми руху; V – максимальна швидкість руху на цій же діаграмі; g - прискорення вільного падіння; f – коефіцієнт тертя кочення (залежить від якості шляхового покриття та швидкості руху ЕМ); VC – середня швидкість на відповідній ділянці руху; kB - коефіцієнт, що визначає аеродинамічні властивості об’єкту (Нс2/м4); FЛ – площалобової поверхні ЕМ; VC1 - середня швидкість руху на ділянці розгону; hМ та hПр – ККД механічної трансмісії та електропривода ЕМ відповідно. З урахуванням максимально допустимого ступеня розряду тягової акумуляторної батареї (1-Dmin), величина встановленої енергоємності батареї дорівнює:

WАБ = WЦ n /(1-Dmin) ,

де n - кількість циклів руху, що виконуються електромобілем при заданому міжзарядному пробігу.

З другого боку WАБ визначається як добуток питомої енергоємності (WП, Втгод/кг) та маси АБ:

WАБ = WП mАБ .

Крім отриманого значення встановленої енергоємності АБ, яка забезпечує заданий міжзарядний пробіг електромобілю метод передбачає визначення необхідної питомої потужності АБ для забезпечення всіх динамічних навантажень машини.

Таким чином, згідно з наведеним вище алгоритмом досить просто визначається встановлена енергоємність, маса та максимальна потужність джерела живлення для будь-якого класу електромобілів з будь-якою електрохімічною системою цього джерела.

Найбільш поширеними на сьогодні комбінованими транспортними засобами є ТЗ, джерелом живлення яких є комбінація ДВЗ та накопичувача енергії – акумуляторної батареї або батареї суперконденсаторів (БС). Метою створення даного класу КТЗ є суттєве зменшення споживання рідкого палива та шкідливих викидів у атмосферу у порівнянні із автомобілями. Шляхом досягнення цієї мети є забезпечення роботи ДВЗ у режимі максимальної економічності й мінімальної токсичності вихлопних газів (за умови забезпечення необхідної потужності й моменту на валу). Для вирішення поставленої задачі у роботі були висвітлені особливості роботи ДВЗ у КСЕЖ, проаналізовані їх швидкісні, навантажувальні та регулювальні характеристики, визначені вимоги до ДВЗ для різних типів КСЕЖ АЕЗ [25].

Наступним етапом досліджень була розробка способів керування КСЕЖ, метою яких є підвищення енергоефективності системи, зменшення споживання рідкого палива та шкідливих викидів у атмосферу комбінованим транспортним засобом [26].

Серед усього розмаїття структур побудови СЕЖ АЕЗ можна виділити три основних – послідовну (рис.11а), паралельну (рис.11б) та послідовно-паралельну (рис.11в). Тут Г- генератор; ТЕП – тяговий електропривод; РП – розподілювач потужності (моменту); Тр – трансмісія.

В роботі проаналізовані існуючі методи керування СЕЖ АЕЗ послідовної структури побудови і зроблено висновок, що одні з них забезпечують оптимальну роботу ДВЗ, при цьому зарядний пристрій та АБ працюють не ефективно – інші, навпаки, забезпечують оптимальну роботу електрообладнання та АБ, але допускають не ефективну роботу ДВЗ.

а б

в

Рис. 11

Автором запропоновано метод керування КСЕЖ послідовної структури побудови, який є оптимальним з точки зору як використання ДВЗ, так і силового електрообладнання.

Алгоритм роботи цього методу представлено у табл1. Тут D max та D min – максимальне та мінімальне значення ступеня заряду АБ АЕЗ.

Розгляд методів керування КСЕЖ паралельної та послідовно-паралельної структур побудови було проведено на прикладі останньої. Це обумовлено тим, що така структура включає в себе паралельну і відрізняється лише наявністю генератора і, відповідно, режиму підзаряда ТАБ від ДВЗ через генератор.

Так само, як і у послідовній структурі побудови метою розробки методу керування КСЕЖ є забезпечення її максимальних ефективності, економічності та екологічності ДВЗ та можливості споживання енергії рекуперативного гальмування. Крім того, важливим залишається підтримання СЗБ на необхідному рівні.

Таблиця1

Алгоритм роботи запропонованого методу керування КСЕЖ АЕЗ послідовної структури побудови

Режим руху | Стан СЗБ (В) | Напрямок перерозподілу енергії | Старт | D > D max | АБ > ТЕП; ДВЗ/Г –вимк. | D max > D > D min | ДВЗ/Г + АБ > ТЕППрискорення

(невелике навантаження) | D > D max | АБ > ТЕП; ДВЗ/Г –вимк. | D max > D > D min | ДВЗ/Г > ТЕП+ АБ

Прискорення

(велике навантаження)D > D min | ДВЗ/Г + АБ > ТЕПРух з невеликою швидкістю | D > D max | АБ > ТЕП; ДВЗ/Г –вимк. | D max > D > D min | ДВЗ/Г > ТЕП+ АБРух з великою швидкістюD > D min | ДВЗ/Г + АБ > ТЕПНегайне гальмування | D > D max | Механічні гальма | D max > D > D min | Механічні гальма + рекуперація : ТЕП > АБ | Звичайне гальмування або рух з гори | D > D max | Механічні гальмаD max > D > D min | Рекуперація: ТЕП > АБЗупинка | D > D max | ДВЗ/Г –вимк.D max > D > D min | ДВЗ/Г > АБ

В роботі запропоновано новий метод керування таким типом КСЕЖ (його алгоритм наведено на рис.12), який максимально задовольняє наведену вище мету створення таких АЕЗ.

На цьому рисунку прийняті наступні скорочення та позначення: ЗП – зарядний пристрій АБ; ГГ – гідравлічні гальма машини; Р – потужність навантаження, необхідна для виконання циклу руху; РТ – вихідна потужність у режимі тяги; РГал – потужність гальмування; РДВЗ та РДВЗmax – поточна та максимальна вихідні потужності ДВЗ відповідно; Ропт – значення потужності ДВЗ, яке знаходиться на оптимальній кривій у координатах потужність швидкість [25]; V – швидкість обертання валу ДВЗ; РТЕП та РТЕПmax– поточна та максимальна вихідні потужності тягового електропривода; РГ – вихідна потужність генератора; РГГ – потужність механічного гальмування.

Далі в роботі запропоновано метод визначення параметрів комбінованих систем енергоживлення автономних електротранспортних засобів [24]. Суть методу полягає у тому, що для КТЗ, що проектується, задається необхідний цикл руху, який машина повинна задовольняти, вантажопідйомність і маса екіпажної частини. Для такої машини виводяться формули для визначення всіх складових частин витрат енергії КСЕЖ при розгоні та прямолінійному русі КТЗ і на їхній основі – загальний вираз, що пов’язує витрати енергії КСЕЖ з параметрами машини. З отриманого виразу, з урахуванням обраної стратегії керування визначається встановлена енергоємність та необхідна потужність компонентів КСЕЖ. Робота методу була проілюстрована для стандартного циклу NEВС (New European Driving Cycle) (рис.13, табл.2), що використовується для сучасних випробувань КТЗ у Європі. Він є комбінацією чотирьох сегментів міського циклу UDC (Urban Driving Cycle) (рис.13а) та одного сегменту EUDC (Extra Urban Driving Cycle) (рис.13б), що характеризується більш агресивним та швидкісним рухом. У табл2. наведені характеристики обох циклів.

Величина енергії, що витрачається КСЕЖ на розгін та прямолінійний рух визначається аналогічно описаному вище методу для ЕМ. Відмінності накладає використання більш складного циклу руху. А саме WК =, (n=15) – сумарна накопичена КТЗ кінетична енергія

Рис.12

а б

Рис.13

Таблиця 2

Характеристики циклів руху UDC та EUDC

Характеристика | Одиниці виміру | UDC | EUDC

Відстань | км | 4х1,013=4,052 | 6,955

Тривалість | с | 4х195=780 | 400

Середня швидкість | км/год | 18,7 (з паузами) | 62,6

Максимальна швидкість | км/год | 50 | 90

в точках, що відповідають кінцям розгону на діаграмах руху рис.13; WТ =, (m=35) – сумарна енергія тертя кочення; WА = , (m=35) – сумарна енергія подолання аеродинамічного опору.

Вираз для визначення величини енергії, що відбирається від КЕУ при розгоні та прямолінійному русі, має вигляд:

WЦ = ( 0,5 m d ai Vi t1і + (m g fj Vj + kB FЛ Vj3) t2j ) / hМ hПр ,

де t1i та t2j – час розгону та сумарний час розгону та усталеного руху відповідно.

Наступним етапом є вибір способу керування КСЕЖ АЕЗ. Це питання було розглянуте вище.

Виходячи з обраного способу керування визначаються встановлені потужності компонентів КСЕЖ.

Для двигуна внутрішнього згоряння:

PДВЗвст = PДВЗmax / hМ = (m g f8 VC8 + kB FЛ VC83) / hМ,

де VC8 – швидкість КТЗ на сегменті руху 8 (Рис.13).

Для тягового електроприводу (вибирається більше із двох значень):

Р1 = PДВЗmax - РК1 - РТ1 - РА1, та Р2 = dР РК9 / hМhПр,

де РК1, РТ1, РА1 – потужності, необхідні для накопичення кінетичної енергії та подолання тертя кочення та аеродинамічного опору на ділянці розгону 1 (рис.13); РК9 – потужність рекуперативного гальмування на сегменті руху 9 (рис.13); dР – коефіцієнт, який враховує “спроможність” АБ спожити енергію рекуперативного гальмування.

Встановлена потужність генератора визначається максимальним значенням потужності, необхідної для підтримання роботи ДВЗ у оптимальному режимі:

PГ = DPДВЗ / hГ,

де DPДВЗ – потужність, що необхідна для переведення робочої точки ДВЗ на оптимальну криву у координатах потужність швидкість [25]; hГ – ККД генератора.

Встановлена потужність АБ КТЗ визначається максимальною потужністю ТЕП з урахуванням ККД розряду батареї (hРАБ):

РАБ = РТЕП / hАБР.

Встановлена енергоємність АБ визначається з урахуванням трьох величин – енергій розряду та заряду АБ на протязі всього циклу руху, а також діапазону зміни СЗБ протягом руху. Ці складові визначаються наступними формулами:

WАБР = (1/ hАБР) х [TАБР х АБР],

WАБЗ = (1/ hАБЗ) х [TАБЗ х АБЗ],

де TАБР та TАБЗ – вектори часу етапів розгону та етапів рекуперативного гальмування циклу руху відповідно;АБР та АБЗ - вектори середніх потужностей розряду та заряду АБ на відповідних етапах розгону та рекуперативного гальмування циклу руху відповідно.

Мінімальна енергоємність АБ визначатиметься з формули:

WАБmin = |DW| / DD = (W max – W min) / DD,

де |DW| - максимальна величина зміни енергії АБ під час руху; DD – допустимий діапазон зміни СЗБ.

Застосування запропонованих методів дають відчутні економічні результати. Експериментальні дослідження на гібридному електромобілі з послідовною структурою побудови “Таврія”, розробленому у лабораторії електромобілів ІЕД НАН України [17] показали, що використання запропонованих методів дає економію палива від 7% до 11%, в залежності від режиму руху.

Четвертий розділ присвячено дослідженням однієї із найважливіших складових частин КСЕЖ АЕЗ - системі управління функціонуванням акумуляторної батареї (СУБ).

Існує багато варіантів СУБ, але є три основні мети, що їх об’єднують.

1. Захист батареї від пошкоджень.

2. Збільшення терміну життя батареї.

3. Збереження батареї в тому стані, в якому вона може задовольнити всі функціональні вимоги застосування.

У загальному випадку для досягнення цих цілей СУБ має виконувати наступні функції:

1. Захист елементів батареї. Захист батареї від використання в неприйнятних умовах роботи є фундаментальною для всіх застосувань СУБ. На практиці СУБ повинна надавати повний захист елементів, щоб врахувати практично всі випадковості. Робота батареї поза спеціально розроблених граничних показників невідворотно призведе до її виходу з ладу.

2. Контроль заряду. Це одна з основних функцій СУБ. Більшість батарей виходять з ладу саме при неправильному заряді.

3. Управління навантаженням. Управління навантаженням не має прямого відношення до роботи батареї, але, в той же час, відноситься до режимів експлуатації батареї. Його мета - мінімізувати витрати енергії у всіх елементах, що є навантаженням для АБ і таким чином збільшити проміжки часу між зарядами батареї.

4. Визначення ступеня заряду АБ (СЗБ). У багатьох випадках функціонального призначення АБ виникає необхідність знання СЗБ. Це може знадобиться як для індикації ємності, що залишилася в батареї, так і для контрольного кола, де ця інформація буде використана для організації оптимального заряду батареї.

5. Знаходження стану справності АБ (ССБ). ССБ – показник, що характеризує спроможність батареї віддавати необхідну кількість енергії. Це вкрай необхідно для оцінки готовності резервного енергетичного устаткування і є індикатором має потреби у профілактичному ремонті АБ.

6. Балансування елементів. У батареях, що складаються