Энергетическая система гибридного автомобиля

 

 

Расчет показал, что на участках разгона при движении по циклу NEDC транспортное средство затратит

 

Aразг=4,28 МДж= 1,19 кВтч.

 

Полученные  данные позволяют рассчитать энергию, необходимую для транспортного  средства только на участках разгона, однако исследуемый цикл также включает участки, где поддерживается постоянство скорости. Для этого к транспортному средству необходимо прикладывать силу, равную силе сопротивления движению на этих участках.

Расход  энергии на интервалах постоянства  скорости.

Рассмотрим  движение транспортного средства на горизонтальной поверхности по асфальто-бетонному покрытию. Примем, что при сохранении постоянства скорости сила сопротивления движению остается постоянной.

Расход энергии  на преодоление сил сопротивления  движению подсчитаем по формуле:

 

Av=const= Wv =constVсрt

 

где Wv =const- сопротивление движению на участках поддержания постоянства скорости.

Расчеты приведены  в таблице 2. Они показали, что  на участках постоянства скорости при  движении по циклу NEDC транспортное средство затратит

Av=const=4,47 МДж = 1,24 кВтч.

Если просуммировать энергию, которая необходима транспортному  средству на участках разгона и участках поддержания постоянства скорости, то получится, что транспортное средство при движении по циклу NEDC затрачивает:

 

Aсум=Аразг +Av=const= 4,28+4,47=8,75 МДж=3,43 кВтч

 

Проанализируем  расход энергии в циклах ECE 15 и EUDC

На движение по циклу ECE 15, который соответствует городскому режиму движения, транспортное средство затрачивает

 

Aece 15= 0,58 МДж= 0,16 кВтч

 

 

На движение по циклу EUDC, который соответствует загородному режиму движения, транспортное средство затрачивает

 

Aeudc= 6,44 МДж= 1,8 кВтч

 

Объяснение  такой разницы достаточно простое: чем выше скорость и интенсивнее  её набор, тем большую мощность приходится забирать у источника, питающего двигатель (двигатели), тем больше расход энергии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цикл	Результаты  расчета
		t, с	Vср, км/ч	Vср, м/с	Wv=const, Н	А, кДж
ЕСЕ 15	19,5 37,9	18	5	225,6	20,8
		70,4 100,75	30	8,3	283,3	71,6
		134,3 153,8	50	13,9	443,4	120
		157,1 175	32	8,9	295,7	47
ЕСЕ 15	214,5 232,9	18	5	225,6	20,8
		265,4 295,75	30	8,3	283,3	71,6
		329,3 348,8	50	13,9	443,4	120
		352,10 370	32	8,9	295,7	47
ЕСЕ 15	409,5 427,9	18	5	225,6	20,8
		460,4 490,75	30	8,3	283,3	71,6
		524,3 543,8	50	13,9	443,4	120
		547,1 565	32	8,9	295,7	47
ЕСЕ 15	604,5 622,9	18	5	225,6	20,8
		655,4 685,75	30	8,3	283,3	71,6
		719,3 738,8	50	13,9	443,4	120
		742,1 760	32	8,9	295,7	47
EUDC	834,5 873,2	70	19,4	683,6	513,7
		897 970,9	50	13,9	443,4	455,2
	978,9 1016,4	70	19,4	983,6	717,2
EUDC	1064,1 1086,8	100	27,8	1193,9	753,5
	1095.9 1114,1	120	33,4	1634,3	990,9

 

 

 

Режим рекуперативного торможения. Для определения энергии рекуперации проведём расчет по формуле:

 

A(t)= m(1+g)aторм(t)Vсрt-WтормVсрt

 

На участках торможения при движении по циклу NEDC транспортное средство сможет рекуперировать:

 

Aрек=1,67 Мдж=0,46 кВтч

 

В таблице 3 ускорение и энергия показаны со знаком минус- это показывает, что происходит процесс уменьшения скорости и накапливания энергии. На временном интервале 873,2-897 с количество рекуперируемой энергии меньше энергии, необходимой для преодоления силы сопротивления движению, поэтому энергия не только не рекуперируется, часть её затрачивается.

 

 

 

 

Цикл	Результаты  расчета
	t, С	Vср км/ч	Vм/с	Vср м/с	Wv=const, Н	аторм м/с	Арек кДж
ЕСЕ 15	37,9 42,8	18 0	5 0	2,5	222,54	-1,02	-23,4
ЕСЕ 15	100,75 104,54	30 0	8,3 0	4,17	234,3	-2,2	-68,8
	153,83 157,1	50 32	13,9 8,9	11,4	364,1	-1,53	-105,4
	174,96 179,3	32 0	8,9 0	4,45	237,8	-2,05	-77,9
ЕСЕ 15	232,9 237,8	18 0	5 0	2,5	222,54	-1,02	-23,4
	295,75 299,54	30 0	8,3 0	4,17	234,3	-2,2	-68,8
	348.83 352,1	50 32	13,9 8,9	Н,4	364,1	-1,53	-105,4
	369,96 374,3	32 0	8,9 0	4,45	237,8	-2,05	-77,9
ЕСЕ 15	427,9 432.8	18 0	5 0	2,5	222,54	-1,02	-23,4
	490,75 494,54	30 0	8,3 0	4,17	234,3	-2,2	-68,8
	543,83 547,1	50 32	13,9 8,9	11,4	364,1	-1,53	-105,4
	564,96 569,3	32 0	8,9 0	4;45	237,8	-2,05	-77,9
ЕСЕ 15	622,9 627,8	18 0	5 0	2,5	222,54	-1,02	-23,4
	685,75 689,54	30 0	8,3 0	4,17	234,3	-2,2	-68,8
	738,83 742,1	50 32	13,9 8,9	П,4	364,1	-1,53	-105,4
	759,96 764,3	32 0	8,9 0	4,45	237,8	-2,05	-77,9
EUDC	873,2 897	70 50	19,4 13,9	16,7	556,8	-0,23	27,5
	1114,1 1164,1	120 0	33,3 0	16,7	676,34	-0,67	-596,8

 

Режим аккумуляторной батареи. При расчете энергии  для нового европейского цикла получили, что транспортное средство проедет 

 

L=10,55 км

И затратит при  этом

Aрасх=Aсум-Aрек=8,75-1,67=7,08 МДж=1,97 кВтч

 

Рекомендуется не разряжать аккумуляторную батарею полностью, а лишь на 70-80%, поэтому пробег тоже будет составлять 70-80% полученного значения.

Однако, если проанализировать полученные результаты, то становится очевидным, что выбранный накопитель не позволит реализовать движение по новому европейскому циклу. Расход энергии может быть также рассчитан как произведение силы тока на напряжение и на время. Если принять рабочее напряжение равным рассчитанному, т.е. 120 В, то на некоторых временных интервалах цикла NEDC ток превышает рабочий в 6-7 раз. Максимальный отдаваемый ток для выбранной аккумуляторной батареи соответствует 3C, что составляет 300 А, но и этого значения недостаточно на некоторых участках разгона. При рекуперации аккумуляторная батарея способна забрать отдаваемую ей энергию при движении по циклу ECE 15, однако при движении по загородному циклу она может забрать лишь треть отдаваемой энергии.

Расчет  суперконденсатора. Рассмотрим используемый в качестве накопителя конденсаторный блок фирмы ЭСМА. Производитель рекомендует ряд батарей для гибридного транспорта. Используем блок с наибольшим показателем запасаемой энергии- 30ЭК405U. Диапазон рабочих напряжений составляет 12-45 В, поэтому для получения 110 В необходимо три блока, соединенных последовательно. Запасаемая энергия блоков составит 1110 кДж или 308,3 Втч. Максимальная мощность 102 кВт, что позволит двигателям при необходимости работать с полной мощностью без подключения теплового двигателя.

Определим пробег транспортного средства от одной  зарядки.

Из сделанного ранее расчета известно, что затраты энергии при прохождении одного километра составляют 186,7 Втч/км, поэтому

 

Lmax=Э/З =308,3/186,7= 1,65 км

 

Производитель рекомендует не разряжать суперконденсаторы  полностью, а лишь на ¾, поэтому максимальный пробег соответственно составит 1,2 км.

Расчет показывает нецелесообразность использования суперконденсатора в качестве единственного накопителя.

На основе выполненных  расчетов можно сделать выводы:

1. Использование в качестве накопителя энергии только аккумуляторной батареи возможно лишь в случае ее очень большой мощности, что нецелесообразно, поскольку приводит к значительному удорожанию транспортного средства. Возможные варианты решения проблемы - использование дополнительного накопителя энергии, либо совместная работа с тепловым двигателем, причем в последнем случае уменьшение мощности теплового двигателя вряд ли будет значительным. Кроме того, процесс рекуперации будет происходить не в полной мере, и рекуперируемая энергия составит не более 50% общего объема.
2. Использование в качестве накопителя энергии только суперконденсатора дает эффект лишь в динамических режимах, позволяя применять тепловой двигатель в более щадящих режимах.
3. Наиболее перспективный вариант накопителя энергии - совместное использование аккумуляторной батареи и суперконденсатора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Выбор мощности энергетической установки.

Для подсчета расхода энергии на преодоление полного сопротивления движению нужно суммировать расходы энергии на преодоление сопротивления качения, сопротивления воздуха, и сопротивления от подъема.

Рассчитаем силу сопротивления тяжести, действующую на колесо, при горизонтальном движении.

,

где:  – вес т.с. приходящийся соответственно на 1-ую и 2-ую ось,

 – коэффициенты сопротивлению качения

 оси примерно равны имеем:

,

Где: общий вес т.с.

,где

- коэффициент сопротивлению качению, при v<50 км/ч.

Сила сопротивления  воздуха.

 

где: - площадь проецируемого автомобиля на вертикальную плоскость

- коэффициент сопротивления  воздуха

v- скорость автомобиля

,

где: - коэффициент обтекания в аэродинамической трубе,

  - плотность воздуха

(Н)

В таблице приводятся сопротивление воздуха и расход энергии на его преодоление для типовых автомобилей:

(Нм)

 необходимую силу при  движении автомобиля в гору  с углом подъема 15 градусов. Здесь  помимо упомянутых выше сил  будет действовать еще и сила  сопротивления подъема.

Формула силы сопротивления подъема:

 

где:α- угол подъема

Грузоподъемность, т	Масса автомобиля, т	Скорость, ускорение 10 км/ч 15 км/ч  20 км/ч 25км/ч 30км/ч 2,72 м/с 4,16 м/с  5,56 м/с 6,94м/с8,34м/с
Сопротивление воздуха
0,5-1,0		1,37	3,19	5,79	9,06	12,4
2,0-3,0		1,76	4	7,14	12,05	16,9
5		2,52	5,4	9,5	14,48	27,9
Расход энергии  на преодоление сопротивления воздуха, кВтч на 1 т. км полного веса
0,5-1,0	3	0,0013	0,005	0,0053	0,0083	0,012
2,0-3,0	7	0,0007	0,0015	0,0028	0,0043	0,0062
5	11	0,0006	0,0013	0,0023	0,0036	0,0052

Произведение  взято по опытным данным.

Рассчитанные  значения сил сопротивлению движению позволяет определить крутящий момент, необходимый для движения т.с.:

 

где: - радиус колеса

(Н)

Рассчитанные значения сил сопротивлению движения позволяют определить крутящий момент, необходимый для движения т.с. в горку:

=573,4(Нм)  

Мощность комплексной  энергетической установки равна:

, где

К.П.Д. трансмиссии

(Вт) =71 (кВт)

 подсчитан расход энергии  для преодоления полного сопротивления  движению при различных подъемах  для двух типов дорог - асфальтированной  и проселочной.

Подъем, % Скорость км/ч	0	1	2	3	4	5	6	8	10	12	15
Асфальт, брусчатка
10	0,0321	0,0688	0,1055	0,1423	0,1789	0,2157	0,2521	0,3351	0,3893	0,4821	0,5911
15	0,0426	0,0814	0,1160	0,1534	0,1805	0,2174	0,2478	0,3278	0,4008	0,4838	0,5928
20	0,0461	0,0828	0,1192	0,1563	0,1929	0,2297	0,2661	0,3401	0,4031	0,4861	0,5951
25	0,0491	0,0858	0,1225	0,1593	0,1959	0,2327	0,2691	0,3431	0,4061	0,4891	0,5991
30	0,0528	0,0855	0,1262	0,1639	0,1936	0,2364	0,2728	0,3468	0,4098	0,4928	0,6018
Булыжная  мостовая
10	0,0694	0,1061	0,1428	0,1796	0,2169	0,253	0,2894	0,3634	0,4264	0,5094	0,6184
15	0,0711	0,1078	0,1445	0,1813	0,2179	0,2547	0,2911	0,3651	0,4281	0,5111	0,6201
20	0,0734	0,1101	0,1468	0,1836	0,2202	0,257	0,2934	0,3674	0,4304	0,5134	0,6224
25	0,0764	0,1131	0,1498	0,1866	0,2232	0,26	0,2964	0,3704	0,4334	0,5164	0,6254
30	0,0791	0,1157	0,1529	0,1910	0,2256	0,2624	0,3011	0,3631	0,4771	0,5201	0,6291