Энергетическая система гибридного автомобиля

Что касается генераторов, в которых максимальный момент развивается  на максимальной частоте вращения, то их установленная мощность совпадает с максимальной мощностью. Очевидно, такой же (с точностью до потерь) будет установленная мощность силового преобразователя. При максимальной мощности необходимо обеспечить минимум потерь, что требует оптимального по потерям или потреблению тока скольжения, причем при максимальной частоте вращения. Это еще раз демонстрирует различие в проектировании тяговых электроприводов и генераторов.

Для функционирования системы синхронный электродвигатель – силовой преобразователь следует применять качественную частотную или векторную систему управления[11]. Она должна обеспечивать оптимальный по потерям режим работы двигателей во всех диапазонах частот вращения, электромагнитных моментов, скольжений, индукций и т. п. К точности регулирования момента или частоты вращения и динамике протекания процессов в транспортном приводе жестких требований обычно не предъявляют.

Использование КП для снижения габаритных размеров и стоимости электромеханических  устройств 

Выше было показано, что при использовании оптимизированных электрических двигателей их масса (масса активных материалов) при прочих равных условиях (одинаковые максимальная частота питания, зазор, индукция, геометрия полюсного деления) не зависит от частоты вращения, т. е. от коэффициента передачи редуктора. Повышение коэффициента редукции позволяет уменьшить габаритные размеры электродвигателя за счет уменьшения объема не содержащей активных материалов внутренней, сосредоточенной вдоль оси вращения части электрической машины.

 Рассмотрим  случай простейшей КП с двумя передачами. В тяговом приводе область реализуемых электромагнитных моментов характеризуется максимальными моментом Mmax, частотой вращения nmax и мощностью Pmax, ограничивающей область реализуемых моментов гиперболической зависимостью (рис. 14).

Рис.14. Типовая область реализуемых в тяговом приводе моментов

Пусть коэффициенты редукции на высшей и низшей передачах  различаются в 2 раза. Можно ожидать, что это позволит использовать электродвигатель с вдвое меньшим электромагнитным моментом: на высшей передаче он вдвое меньше чем Mmax, а на низшей благодаря удвоению коэффициента редукции требуемый максимальный момент на выходном валу реализуется при вдвое меньшем электромагнитном моменте двигателя. При этом частота вращения сохраняется на уровне nmax, если при превышении значения nmax / 2 переходить на высшую передачу.

Снижение электромагнитного  момента двигателя в 2 раза позволяет  вдвое уменьшить его массу  за счет соответствующего уменьшения длины активной части при сохранении геометрии полюсного деления, максимальных частот вращения и питания двигателя по сравнению с вариантом без КП. Соответственно снижается стоимость электродвигателя, но при этом увеличивается стоимость механических устройств. Таким образом, благодаря использованию КП снижаются как масса, так и длина электродвигателя. При этом следует принять во внимание совокупные характеристики электромеханической системы двигатель -КП с точки зрения их общих массы и габаритных размеров (а также стоимости, ресурса и других показателей).

Эффективность применения КП тем выше, чем больше отношение Mmax / (Pmax / nmax) или чем больше отношение установленной мощности двигателя к мощности бортового источника. Действительно, если это отношение <2, то для реализации требуемого момента на nmax потребуется электродвигатель с соответственно большим моментом, чем Mmax/2. Если Pmax совпадает с установленной мощностью электродвигателя Mmaxnmax, то использование КП теряет смысл (в частности, это относится к электрогенератору).

Реальная эффективность  применения простейшей КП несколько меньше. Заметим, что существует область реализуемых моментов (на рис. 15 она отмечена штриховкой), в которой требуемый электромагнитный момент не реализуется ни при высшей передаче, ни при низшей. Определение границ этой области в каждом конкретном случае не вызывает затруднений. Для реализации требуемых электромагнитных моментов в этой области следует увеличить либо реализуемый электромагнитный момент при высшей передаче (рис. 15, а), либо частоту питания электродвигателя на низшей передаче (рис. 15, б). Обе возможности означают некоторое увеличение установленной мощности электродвигателя. Оно тем меньше, чем больше отношение максимального момента к моменту, развиваемому на максимальной частоте вращения. Для согласования зон переключения передач можно использовать большее число передач, при которых области формирования моментов при различных передачах "перекрываются".

Рис. 15. Электромагнитный момент двигателя на высшей (а) и низшей (б) передачах

При большом  отношении Mmax / (Pmax / nmax), которое для специальной техники может составлять 10 и более, целесообразно использовать КП с большим числом передач и соответствующим снижением массы активной части электродвигателей.

Таким образом, при большом различии максимального  момента и момента на максимальной частоте вращения за счет КП удается уменьшить массу и длину активной части примерно пропорционально максимальному коэффициенту редукции.

Момент инерции  вращающихся масс

При снижении частоты  вращения электродвигателя за счет применения редуктора масса активных частей оптимизированного двигателя не изменяется. Увеличение диаметра электродвигателя при этом, очевидно, приводит к квадратичному увеличению момента инерции, приведенного к валу двигателя. Однако приведенный к выходному валу системы электродвигатель – редуктор момент инерции, который также квадратично зависит от коэффициента редукции, при этом остается неизменным. Иначе говоря, энергия вращающихся масс активных частей электродвигателя остается постоянной при фиксированной частоте вращения выходного вала (или частоте вращения ведущих колес). Увеличение момента инерции активной части электродвигателя компенсируется уменьшением скорости ее вращения (свой вклад могут внести моменты инерции конструкционных материалов и элементов механических передач). Таким образом, использование редуктора не изменяет приведенный момент инерции вращающихся масс электродвигателя.

При использовании  КП масса активных частей электродвигателя уменьшается пропорционально максимальному  коэффициенту редукции. На высшей передаче это соответствует пропорциональному уменьшению момента инерции вращающихся масс. Однако на низших передачах момент инерции электродвигателя, приведенный к выходному валу, будет увеличиваться пропорционально квадрату коэффициента редукции на данной передаче (т. е. с учетом снижения момента инерции двигателя обратно пропорционально максимальному коэффициенту редукции). Увеличение момента инерции происходит на низших передачах, когда требуется развивать максимальные ускорения. Следует также учесть увеличение момента инерции за счет механических частей редуктора и КП.

Таким образом, за счет КП в тяговом электроприводе момент инерции вращающихся масс на низших передачах повышается, а на высших снижается.

Ротор электрогенератора, соединяемого с коленчатым валом ДВС "напрямую" или через редуктор, может частично или полностью играть роль маховика, необходимого для нормального протекания процессов горения топлива в цилиндрах ДВС.

Элементы концепции  создания наукоемких компонентов для  гибридной электротранспортной техники

Основные стратегические положения при создании и внедрении  наукоемких компонентов общемашиностроительного  применения для гибридной техники:

выделение наиболее перспективных направлений работ  с учетом мирового опыта;

концентрация  финансовых средств на экономически приоритетных (конкурентоспособных) и  стратегических проблемах, по которым  российские организации имеют приоритет, заделы, превосходящие мировой уровень, и технологический потенциал;

сотрудничество  с ведущими инофирмами по организации  совместных разработок компонентов, эксплуатации и совместного производства компонентов  и транспортной техники;

комплексный подход, который подразумевает привлечение специалистов по сертификации, производству, сервису, менеджменту, маркетингу, рекламе, дизайну, безопасности, электрохимии, электромеханике, силовой и управляющей электронике, электроприводу, материаловедению, системному проектированию, управлению, мехатронике и др.;

унификация  разрабатываемых компонентов, интегрированных  систем для техники различного типажа и назначения.

Тяговый электропривод – один из основных узлов электротранс-портных средств. Его характеристики во многом определяют характеристики транспортного средства в целом. Развитие тягового электропривода проходит на основе предельно высоких технико-экономических требований. Можно с полным основанием утверждать, что в тяговом электроприводе в настоящее время реализуется комплекс современных, последних достижений в области электромеханики, силовой и управляющей электроники, управления и мехатроники.

Обращают на себя внимание следующие факты:

западные фирмы, обладая высоким уровнем технологии производства в электротехнической и машиностроительной отраслях, часто используют высокоскоростные двигатели, снабженные точными подшипниковыми узлами, сложными многоступенчатыми редукторами и механическими передачами;

довольно большое  число приводов для средних и  тяжелых ТС выполнено на основе синхронного привода с возбуждением от высокоэффективных редкоземельных постоянных магнитов (на базе сплава ниодим  – железо – бор);

многие фирмы  применяют интегрированные узлы, объединяющие двигатели, преобразователи, механические передачи, встроенные тормозные системы и системы охлаждения, силовые и электронные управляющие устройства – мехатронные модули движения. Специалисты видят в них перспективу и основное средство "удешевления" приводных систем, повышения их показателей.

Российские организации  в состоянии самостоятельно создать и организовать производство электроприводов, не уступающих мировому уровню. Основаниями для разработки современных отечественных приводов служат:

появление отечественных  методик проектирования электрических  двигателей для регулируемого привода, позволяющих выявлять их предельные возможности, проектировать активную часть приводов с существенно улучшенными массогабаритными показателями и высокой эффективностью электромеханического преобразования;

наличие современной электронной  силовой и управляющей элементной базы у отечественных разработчиков, позволяющей проводить разработки на высоком техническом уровне;

наличие технологий и производственных мощностей для изготовления электромеханических  и механических элементов привода (электродвигателей, тормозных, рулевых, охлаждающих и др. систем).

Интеграция силовой и  управляющей электроники, электромеханических  и механических элементов в мехатронный модуль движения весьма привлекательна с точки зрения улучшения функциональных показателей, снижения массы, стоимости и, особенно, улучшения эксплуатационных характеристик, повышения унификации и ремонтопригодности. Мехатронный модуль движения объединяет тяговые двигатели, силовые преобразователи, редукторы (если они применяются) и тормоза.

Участники НИОКР должны разрабатывать  энергоустановки в целом, включая  источники энергии, системы преобразования и управления потоками энергии и  мощности, системы наземного обслуживания и системы хранения. При реализации проектов должны быть созданы и комплексно испытаны образцы энергоустановок, организованы опытно-промышленное производство и инфраструктура обслуживания с учетом дальнейшего развития серийного выпуска в соответствии с программами внедрения.

Специфика ДВС, устанавливаемого на гибридном ТС, пока не учитывается в полной мере. Необходимо создать дизель-генератор, не содержащий вращающихся валов (а, следовательно, и подшипников), которые, собственно, не нужны в гибридной силовой последовательной трансмиссии. Такая работа может быть основана на оригинальных отечественных конструкциях.

Перспективно создание интегрированных  унифицированных интеллектуальных систем управления основными узлами и комплексом электротехнического  оборудования гибридных автомобилей, позволяющих осуществлять качественное децентрализованное управление, контроль и диагностику оборудования. Создаваемые энергоустановки должны быть универсальными и допускать межпроектную унификацию. Универсальность достигается, прежде всего, за счет модульной конструкции отдельных узлов, что позволяет при проектировании или в течение эксплуатации изменять число и состав модулей, тем самым в достаточно широких пределах варьируя основные показатели. Энергоемкость и мощность оборудования, а, следовательно, пробег и динамические возможности устанавливаются в зависимости от требований данного применения.

Улучшение качества компонентов  и ТС требует разработки четкой программы  стандартизации. Без стандартов невозможно оценивать качество, а без их постоянного  развития невозможно улучшать качество. Международные соглашения (такие, как Соглашение по торговле и тарифам – GATT) определяют, что все подписавшие их страны будут использовать международные стандарты в тех случаях, когда такие существуют. Для успешного внедрения новых технологий необходимо разрабатывать новые стандарты, причем на стадии проведения НИР и НИОКР по новой технике. В дальнейшем эти стандарты понадобятся для внедрения новых технологий на рынок наиболее эффективным путем. Необходима также гармонизация стандартов с международными.