Энергетическая и топливная эффективность автомобилей с гибридной силовой установкой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Сидоров, Кирилл Михайлович

• Сидоров, Кирилл Михайлович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сидоров, Кирилл Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ОБЗОР АВТОМОБИЛЕЙ С ГИБРИДНЫМИ СИЛОВЫМИ УСТАНОВКАМИ.

1.1. Проблемы потребления углеводородного топлива.

1.2. Классификация транспортных средств с гибридной силовой установкой.

1.2.1. Общие положения.

1.2.2. Классификация АТС с ГСУ по энергетическому обеспечению.

1.2.3. Классификация АТС по структуре и схеме взаимодействия основных компонентов ГСУ.

1.3. Обзор транспортных средств с ГСУ.

1.4. Энергетическая эффективность автомобилей с ГСУ и ее взаимосвязь с условиям11 движе11ия.

Выводы к Главе 1.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ.

2.1. Общие положения.

2.2. Математическая модель системы тягового электрооборудования АТС с ГСУ

2.2.1. Функциональная схема обобщенной модели системы тягового электрооборудования АТС с ГСУ.

2.2.2. Математическая модель электрической машины.

2.2.3. Модель системы преобразования энергии и управления АМ.

2.3. Математическая модель аккумуляторной батареи.

2.3.1. Применение метода Шеферда для моделирования нестационарных режимов разряда и заряда аккумуляторных батарей.

2.3.2. Расчет баланса электрической энергии аккумуляторной батареи в составе

ГСУ АТС.

2.4. Математическая модель двигателя внутреннего сгорания.

2.5. Математическая модель устройства механического сопряжения и распределения мощности агрегатов ГСУ.

2.5.1. Определение требуемых тягово-энергетических характеристик ГСУ.

2.5.2. Математическая модель устройства механического сопряжения и распределения мощности агрегатов ГСУ.

Выводы к Главе 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА.

3.1. Общие положения.

3.2. Анализ энергетических показателей электромобиля в условиях городского и загородного режимов движения.

3.2.1.Исходные данные.

3.2.2.Результаты моделирования движения электромобиля на базе автомобиля ГАЗ-2705.

3.2.3. Результаты экспериментальных исследований СТЭО транспортного средства.

3.3. Анализ топливно-энергетических показателей традиционного автомобиля в условиях городского и загородного режимов движения.

3.3.1. Алгоритм расчета топливно-энергетических показателей автомобиля.

3.3.2. Моделирование движения традиционного автомобиля при ступенчатом изменении передаточного числа трансмиссии.

3.3.3. Топливная эффективность традиционного АТС.

3.3.4. Моделирование движения автомобиля при непрерывном изменении передаточного числа трансмиссии.

3.3.5. Эффективность работы ДВС в составе ГСУ.

Выводы к Главе 3.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ И РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ И ТОПЛИВНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АТС С ГСУ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ И СМЕШАННОЙ СТРУКТУР.

4.1. Исследование энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ последовательной структуры.

4.1.1. Общие положения.

4.1.2. Исследование энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ последовательной структуры.

4.2. Исследование энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ смешанной структуры.

4.2.1. Основы эффективной работы ДВС в составе ГСУ смешанной структуры.

4.2.2. Алгоритм функционирования агрегатов энергоустановки и выбора рационального режима работы ГСУ смешанной структуры.

4.2.3.Методика оценки энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ.

4.3. Результаты оценки энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ. 149 Выводы к Главе 4.

ГЛАВА 5. МЕТОДИКА ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА.

5.1. Основные этапы определения параметров основных компонентов ГСУ.

5.2. Определение и расчет параметров гибридной силовой установки.

5.2.1. Определение требуемых характеристик ДВС и основных компонентов СТЭО в составе ГСУ.

5.2.2. Расчет и определение характеристик БНЭ.

5.3. Оценка грузоподъемности АТС с ГСУ.

Выводы к Главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергетическая и топливная эффективность автомобилей с гибридной силовой установкой»

Установившиеся на протяжении последних десятилетий высокие темпы автомобилизации с каждым годом все больше обостряют проблему возрастающего потребления углеводородных источников энергии. Автомобильный транспорт в настоящее время является одним из основных потребителей нефтяных ресурсов, на его долю приходится около 50 % всего объема нефтедобычи. Увеличение объемов использования углеводородного топлива сопровождается ухудшением экологической обстановки как в масштабе отдельных городов, так и во всем мире.

В России, наряду с ростом численности автопарка, проблема потребления топливных ресурсов и ухудшения экологии усугубляется и другими особенностями автотранспортного комплекса страны. Отставание развития транспортной инфраструктуры и дорожной сети, высокая доля парка с большим сроком эксплуатации и низкими экологическими показателями оказывает негативное влияние на указанную проблему. В связи с этим, применение транспорта с высокими показателями топливной экономичности и экологической безопасности, а также модернизация находящихся в эксплуатации традиционных автотранспортных средств (АТС), может явиться одним из наиболее эффективных средств улучшения сложившейся топливно-энергетической и экологической ситуации.

Наряду с другими возможными способами решения данной проблемы, такими как совершенствование конструкции двигателей внутреннего сгорания (ДВС), использование альтернативного топлива (в том числе биотоплива и природного газа), особо следует выделить применение гибридных (комбинированных) силовых установок (ГСУ) на транспортных средствах.

По мере совершенствования АТС с двигателями внутреннего сгорания всегда существовала идея сочетания на автомобиле нескольких различных источников энергии для движения. В настоящее время подобной системой, признанной ведущими автопроизводителями, является та, в которой комбинируются два различных преобразователя энергии — ДВС и электрическая машина и, соответственно, два источника — топливо и электрическое накопительное устройство (аккумуляторная батарея). Сочетание на автотранспортном средстве ДВС, электрической машины с системой преобразования электрической энергии и управления, а также буферного накопителя энергии позволяет обеспечить функционирование силовой установки таким образом, чтобы избежать неблагоприятных (с точки зрения энергетической эффективности) режимов работы, как двигателя внутреннего сгорания, так и электрической машины, реализуя высокую эффективность всей системы.

Актуальность этой темы уже давно признана во многих промышленно-развитых странах, где существуют обширные национальные программы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по автомобилям с ГСУ, налажено серийное производство данного вида АТС. Развитию работ в этом направлении способствует постоянное ужесточение норм по выбросам вредных веществ, реализация которых уже невозможна путем дальнейшего совершенствования традиционных схем АТС на основе двигателей внутреннего сгорания.

В России в последние годы также отмечается активизация работ по созданию и внедрению автотранспортных средств нового поколения, начинают разрабатываться проекты программ развития перспективного транспорта. Проблемами разработки и создания электромобилей и АТС с ГСУ занимались и продолжают заниматься ряд российских ученых: Б.И.Петленко, Е.И.Сурин,

A.А.Ипатов, А.А.Эйдинов, В.Е.Ютт, С.В.Бахмутов, Б.Э.Павлушков,

B.В.Селифонов, Б.Я.Черняк, Ю.А.Купеев, В.Ф.Кутенев, В.Ф.Каменев, Л.Ю.Лежнев, И.П.Ксеневич, Д.Б.Изосимов и многие другие. Решению вопросов в данной области посвящены диссертационные работы, выполненные в МАДИ, ФГУП «НАМИ», МГТУ «МАМИ», МЭИ и др. [16, 26, 28, 31, 53].

Результаты исследований электромобилей и транспортных средств с ГСУ отражены в ряде научных статей [8, 12, 18, 19, 24, 25, 29, 33 — 38], в том числе зарубежных авторов [59 - 63, 65 - 72, 75 - 81, 87 - 90].

В настоящее время в ряде научных институтов страны созданы и испытаны образцы АТС с ГСУ. Однако, несмотря на этот факт, в данной области остается много нерешенных вопросов, отсутствует устоявшаяся методика определения и расчета параметров комбинированной энергетической системы автомобиля, нет четкой картины наиболее эффективной организации совместной работы компонентов энергоустановки. Применяемые при исследованиях математические модели АТС, как правило, направлены на детальную проработку одного из компонентов ГСУ, при этом значения остальных ключевых составляющих упрощаются. Кроме того, большинство работ посвящено исследованию АТС с ГСУ последовательной и параллельной структур, тогда как смешанная структура энергоустановки остается до конца не изученной.

ГСУ транспортного средства представляет сложную систему устройств, находящихся в тесной взаимосвязи и функционирующих как единое целое. Поэтому подход к вопросу определения рациональной стратегии управления ГСУ, параметров ее основных узлов должен быть также системным, учитывающим целый ряд характеристик и условий. В связи с этим, разработка действительно эффективного в эксплуатационном отношении транспортного средства с гибридной силовой установкой возможна посредством целостного исследования и определения энергетической и топливной эффективности разрабатываемого АТС и стратегии управления ГСУ.

В настоящей работе предлагается разработать метод исследования энергетической системы АТС с ГСУ, с помощью разработанной комплексной модели транспортного средства с ГСУ исследовать несколько различных вариантов схем и алгоритмов работы энергоустановки, оценить их с точки зрения энергетической и топливной эффективности.

Таким образом, целью настоящей работы является разработка методики и средств исследования энергетической системы автомобиля с гибридной силовой установкой, основанных на математическом моделировании работы основных компонентов ГСУ.

В рамках поставленной цели настоящей диссертационной работы решаются следующие задачи:

- анализ существующих разработок АТС с ГСУ и применяемого силового оборудования в их составе;

- разработка комплексной математической модели АТС с ГСУ;

- исследование энергетических показателей и определение рациональных режимов работы основных компонентов ГСУ транспортного средства;

- разработка алгоритма выбора рационального режима работы гибридной силовой установки;

- разработка метода оценки энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ;

- расчет и сравнение показателей эффективности АТС с ГСУ последовательной и смешанной структур;

- разработка базовой методики определения и расчета параметров основных компонентов ГСУ транспортного средства.

Методы исследований. При решении задач использованы современные математические методы теоретической электротехники, теории электромеханического преобразования энергии, основные положения теории автомобиля, ДВС и математического моделирования динамических процессов в сложных нелинейных системах.

Научная новизна. Разработана комплексная математическая модель, включающая полный состав основных компонентов ГСУ транспортного средства и учитывающая нелинейность показателей энергетической эффективности системы тягового электрооборудования, в том числе аккумуляторной батареи и электрической машины. Разработанная обобщенная модель позволяет проводить оценку эффективности реализации на транспортном средстве различных схем гибридных силовых установок (последовательной, параллельной, смешанной) и алгоритмов работы последней, а также дать рекомендации по выбору характеристик основных компонентов ГСУ.

На защиту выносятся:

- комплексная математическая модель АТС с ГСУ, включающая модели асинхронной электрической машины с системой преобразования электрической энергии и управления, аккумуляторной батареи, расчета показателей работы ДВС, устройства сопряжения и распределения мощности силовых агрегатов;

- метод исследования энергетических показателей основных компонентов ГСУ транспортного средства;

- алгоритм выбора рационального режима работы ГСУ транспортного средства;

- метод оценки энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ;

- результаты расчета и сравнения показателей эффективности АТС с ГСУ последовательной и смешанной структур;

- базовая методика расчета и определения параметров основных компонентов ГСУ транспортного средства.

Достоверность результатов обеспечена использованием современных математических методов, согласованным сравнительным анализом результатов расчетных и экспериментальных исследований.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Результаты работы, в том числе методика исследования энергетической системы транспортных средств с ГСУ, использованы при выполнении работ, связанных с разработкой АТС с ГСУ в ОАО «НЛП «Квант», ФГУП «НАМИ», а также в учебном процессе в МАДИ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: 46-ом международном симпозиуме «Электроника и электрооборудование транспорта. Проблемы и пути решения», г.Суздаль, июнь 2008;

Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», г.Тольятти, 12 - 15 мая 2009;

- Научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ, г. Москва, 2008 - 2010 гг.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, в том числе две публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 104 наименования и 6 приложений. Содержит 173 страницы текста, 62 рисунка, в том числе графики, 26 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Сидоров, Кирилл Михайлович

Выводы к Главе 5

1. Разработана базовая методика определения и расчета параметров основных компонентов ГСУ транспортного средства.

2. При разработке АТС существенными факторами, влияющими на характеристики гибридной силовой установки и ее структуру, являются предъявляемые требования к эксплуатационным характеристикам нового АТС.

3. Полученные в настоящей работе результаты энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ позволили сформулировать основные принципы рационального выбора характеристик силовых агрегатов ГСУ.

4. Расчет характеристик аккумуляторной батареи в составе ГСУ должен проводиться по нескольким условиям, дополняющим друг друга:

- по условию реализации режима электромобиля;

- с учетом перегрузочной способности по току.

5. Для оценки характеристик батареи накопителей энергии по известным характеристикам АТС и силовых агрегатов ГСУ были определены обобщенные выражения для расчета максимальной мощности разряда БНЭ при совместной работе ЭДГ и ДВС на ведущий мост, а также требуемой минимальной емкости БНЭ.

6. Необходимым условием объективной оценки топливной эффективности АТС с ГСУ является анализ топливной экономичности по критерию выполнения одинаковой транспортной работы, таким образом, при определении фактического расхода топлива АТС с ГСУ необходимо учитывать степень изменения грузоподъемности АТС после конвертации.

166

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ существующих разработок АТС с ГСУ и применяемого силового оборудования в их составе

2. Разработана методика исследования энергетической системы автомобиля с гибридной силовой установкой, основанная на математическом моделировании работы основных компонентов ГСУ.

3. Разработана комплексная математическая модель АТС с ГСУ, состоящая из:

- модели асинхронной машины с системой преобразования электрической энергии и управления;

- модели аккумуляторной батареи;

- модели двигателя внутреннего сгорания;

- модели устройства сопряжения и распределения мощности агрегатов

ГСУ.

4. Разработан метод расчета энергетических показателей системы тягового электрооборудования АТС с ГСУ, основанный на моделировании движения электромобиля.

5. Разработан метод расчета топливной эффективности традиционного АТС в различных режимах движения.

6. Расчет энергетических показателей системы тягового электрооборудования электромобиля, а также оценка топливной эффективности традиционного АТС в различных режимах движения, позволили определить основные мероприятия по организации эффективной работы ДВС в составе ГСУ транспортного средства и способы их реализации.

7. Разработан метод оценки энергетической и топливной эффективности АТС с ГСУ. Для оценки результативности принятых решений по выбору основных компонентов энергетической системы АТС с ГСУ и сравнения различных вариантов стратегии управления работой энергоустановки предложен критерий, являющийся количественным показателем эффективности.

8. Разработан алгоритм выбора рационального режима работы ГСУ смешанного типа, направленный на повышение показателей топливной экономичности АТС.

9. Выполнен расчет энергетической и топливной эффективности автомобиля ГАЗ-2705 с гибридной силовой установкой на основе ДВС ВАЗ-2112 для различных вариантов стратегии управления ГСУ смешанного типа. Результаты расчета позволили определить стратегию оптимального, с точки зрения снижения расхода топлива, управления ГСУ.

10. Дана количественная оценка снижения расхода топлива АТС ГАЗ-2705 с ГСУ в сравнении с базовым автомобилем, при этом в случае реализации смешанной структуры ГСУ максимальное снижение расхода топлива имеет место в режиме городского движения, при этом экономия топлива с учетом рекуперации энергии в АБ достигает 50 % (цикл ЕСЕ). Топливная экономичность АТС ГАЗ-2705 с ГСУ в смешном цикле (МЮС) составила 30 %. Наименьшее снижение расхода реализуется в режиме загородного движения (Е1ГОС) - 11%.

11. На примере базового автомобиля ГАЗ-2705 получены результаты сравнения показателей эффективности последовательной и смешанной структур ГСУ.

12. Расчет показателей топливной экономичности АТС с ГСУ для двух случаев - с учетом и без учета рекуперации электрической энергии в АБ, позволил определить ее значимость в снижении расхода топлива, которая составила: - 13 % в городском режиме движения;

- 8 % в смешанном цикле;

- 4 % в загородном цикле.

13. Разработана базовая методика определения и расчета параметров основных компонентов ГСУ АТС, а также сформулированы основные принципы рационального выбора характеристик силовых агрегатов ГСУ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сидоров, Кирилл Михайлович, 2010 год

1. Автомобильный справочник: Пер. с англ. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. - 992 с.

2. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин и др. — М.: Энергоатомиздат, 1982. 504 с.

3. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2008 году». М.: ООО «РППР РусКонсалтингГрупп» по заказу Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации, 2009. —488 с.

4. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Учеб./ В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Т.Ю. Кричевская и др.; Под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. — 3-е изд., перераб. — М.: Высш. шк., 2007.

5. Справочник по электрическим машинам: В 2 т./ Под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова.-М.: Энергоатомиздат, 1988.

6. Трансмиссии гибридного электромобиля / Д.И.Гурьянов, А.К.Макаров, С.А.Корчак, Нгуен Куанг Тхиеу, Лю Сяо Кан // Нетрадиционные электромеханические и электрические системы: Сб. научн. тр. 4-ой междунар. конф. Том 3. — Szczecin: 1999. С. 1402-1404.

7. Бахмутов C.B. Параметрическая оптимизация перспективного легкового автомобиля / C.B. Бахмутов, С. В.Богомолов, Р.Б. Висич. М.: МГТУ «МАМИ», 1999.

8. Богачев Ю.П. Электропривод нетрадиционных транспортных средств / Ю.П. Богачев, Д.В. Изосимов // Приводная техника. — 1998. №2.

9. Боровин Г.К. Математическое моделирование асинхронного электропривода с векторным управлением/ Г.К. Боровин, В.А. Мищенко, Н.И. Мищенко. — М.: Препринт, 1989. 27 с.

10. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными двигателями. / A.A. Булгаков. М.: Энергоиздат, 1982. — 216 с.

11. Гаспарянц Г.А. Конструкция, основы теории и расчета автомобиля / Г.А. Гаспарянц. -М.: Машиностроение, 1978. — 351 с.

12. Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением / В.А. Дартау, В.В. Рудаков, И.М. Столяров. — Л.: Энергоатомиздат, Л.О., 1987. — 136 с.

13. Златин П.А. Электромобили и гибридные автомобили / П.А. Златин, В.А. Кеменов, И.П. Ксеневич. — М.: Агроконсалт, 2004.

14. Ипатов A.A. Электромобили и автомобили с КЭУ / A.A. Ипатов, A.A. Эйдннов. М.: ФГУП «НАМИ», 2004.- 328с.

15. Каменев В.Ф. Гибридный автомобиль: проблемы и решения/ В.Ф. Каменев, Л.Ю. Лежнев // Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса: Тезисы докладов научно-технической конференции. М.: МАДИ (ГТУ), 2003.19.