Энергетическая система гибридного автомобиля

Выводы:

В ТС целесообразно использовать оптимизированные электрические двигатели, обладающие высокими удельными массовыми и габаритными показателями. Геометрию полюсного деления таких двигателей оптимизируют по удельным показателям – отношениям электромагнитного момента к массе или к мощности потерь (комплексный критерий). Масса оптимизированного двигателя зависит от применяемых магнито- и электропроводящих материалов, а также от допустимых потерь и зазора, что позволяет проектировщику, изменяя весовые коэффициенты комплексного критерия, по экспертным оценкам выбирать приемлемый вариант и определять критические параметры.

Исходными данными служат требуемые мощности, частоты вращения выходных валов, моменты (или их зависимости  от частот вращения), а также требуемые (максимально допустимые) масса и габаритные размеры электромеханических устройств – генераторов и тяговых электроприводов (в зависимости от выбранной кинематической схемы и допустимых потерь).

По заданным конструкционным  ограничениям, зазору и используемым материалам выбирают оптимальную геометрию активной части, включая полюсное деление.

На первом этапе предпроектной  оценки определяют возможность безредукторной реализации отдельно генераторов и  тяговых электроприводов. Для этого  по заданной максимальной частоте питания  и частоте вращения находят максимально  возможное число пар полюсов  двигателя (в безредукторном варианте); по заданным габаритным размерам и полюсному делению рассчитывают максимальное, реализуемое при данном диаметре двигателя число пар полюсов. Если реализация "прямого" привода возможна (реализуемое в данных габаритных размерах число пар полюсов меньше максимально возможного при заданной максимальной частоте питания), то при этом минимизируется масса (а, следовательно, стоимость и совокупный КПД электромеханических систем за счет исключения редуктора).

Вследствие больших тяговых усилий, необходимых для движения относительно тяжелых ТС на подъеме или в тяжелых дорожных условиях, построение "прямого" тягового привода электромотор-колес вряд ли реализуемо: для этого необходим электродвигатель чрезмерно большого диаметра. Однако для центрального тягового электропривода с учетом коэффициента редукции дифференциала, а также для электрогенератора такой двигатель обычно реализуем.

Если реализация безредукторного  привода невозможна (прежде всего, из-за ограничения габаритных размеров), то в рассмотрение необходимо ввести механический редуктор. Минимальную частоту вращения оптимизированного двигателя определяют по максимальным, реализуемым при данном ограниченном диаметре числе пар полюсов и частоте питания. Для тягового привода это означает максимально возможный диаметр и минимальную частоту вращения (т. е. использование простейшего в данных условиях редуктора с минимальным передаточным отношением). Если имеется резерв по допустимой массе, то можно за счет увеличения массы до допустимой повысить КПД электродвигателей.

Если и в этом случае предъявляемые требования невыполнимы, необходимо оценить их экспертно  и изменить конструкционные ограничения.

Обмоточные данные электрической  машины (число витков на полюс, число  последовательно/параллельно соединенных ветвей, схема соединения обмоток) согласуют по напряжению с силовым преобразователем. Определяют требуемую установленную мощность силового преобразователя.

На каждом этапе необходимы уточняющие расчеты параметров двигателей на расчетной модели (для тяговых двигателей – в области рабочих режимов – при максимальных моментах и относительно небольших частотах вращения, для генераторов – в области максимальных моментов и частот вращения).

Можно произвольно разделять  тяговые двигатели по ведущим осям (при использовании центрального электропривода с дифференциалом) или по ведущим колесам (при использовании индивидуального электропривода колес по схеме мотор – ось или мотор – колесо). При этом суммарные массогабаритные показатели тяговых приводов остаются неизменными (при сохранении общей мощности приводов в упрощающих предположениях пренебрежением влияния лобовых частей электродвигателей и конструкционных материалов). Если упрощенно принять, что стоимость электродвигателя пропорциональна его массе, то и суммарная стоимость тяговых электродвигателей не зависит от разделения двигателей по ведущим колесам.

Как показывают поверочные расчеты, масса активных материалов тяговых электродвигателей при  прочих равных условиях примерно пропорциональна  зазору и обратно пропорциональна допустимым потерям. Это указывает на необходимость как повышения технологического уровня изготовления электродвигателей, так и использования эффективной системы охлаждения. Система охлаждения электродвигателей (за исключением особо малых машин) должна быть принудительной, воздушной или жидкостной с охлаждением как статора, так и ротора. Отметим, что активная часть оптимизированных электродвигателей относительно невелика и отношение площади охлаждаемой поверхности к объему активной части существенно выше, чем у традиционных электродвигателей. Это облегчает отвод теплоты из внутренних, наиболее "горячих" зон активной части. С другой стороны, плотность выделения мощности потерь в единице объема активной части в оптимизированных электродвигателях выше. Поэтому при конструировании оптимизированного двигателя целесообразно проведение тепловых расчетов.

При использовании оптимизированных электрических двигателей их масса (масса активных материалов) при  прочих равных условиях (одинаковые максимальная частота питания, зазор, индукция, геометрия полюсного деления) в первом приближении не зависит от коэффициента передачи применяемого редуктора. При этом повышение коэффициента редукции позволяет уменьшить габаритные размеры электродвигателя за счет уменьшения объема не содержащей активных материалов внутренней, сосредоточенной вдоль оси вращения части электрической машины.

Для снижения общей массы  системы электродвигатель – редуктор целесообразно полностью использовать допустимый диаметр электродвигателя при редукторе с минимальным передаточным отношением. Введение редуктора не изменяет приведенный к выходному валу электромеханической системы момент инерции вращающихся масс электродвигателя. При этом общий момент инерции системы электродвигатель – редуктор может возрастать за счет момента инерции механических элементов редуктора.

Применение КП при соответственно большом различии максимального  момента и момента на максимальной частоте вращения позволяет уменьшить  массу и длину активной части  электродвигателей примерно пропорционально максимальному коэффициенту редукции. При этом увеличивается момент инерции вращающихся масс на низших передачах и снижается – на высших.

При анализе электромеханических  систем необходимо учитывать изменение  совокупных свойств системы электрическая машина – механический редуктор, поскольку снижение массогабаритных и стоимостных показателей одного элемента системы (например, электродвигателя) вызывает увеличение соответствующих показателей другого (редуктора, КП).

Установленная мощность силового преобразователя, питающего тяговый асинхронный электродвигатель, при соответствующем согласовании обмоточных данных электродвигателя и параметров силового преобразователя примерно равна максимальной мощности тягового привода, которая, как правило, существенно меньше установленной мощности электродвигателя. Это позволяет снизить стоимость силового преобразователя тягового привода. Установленная мощность преобразователя, питающего электрогенератор, равна максимальной мощности две.

Создание наукоемких компонентов нового поколения общемашиностроительного  применения для гибридных ТС основывается на построении их типоразмерных рядов, использовании блочно-модульного принципа конструирования и оптимизации  уровня унификации.

Оптимизация электромеханических устройств позволит существенно улучшить показатели ТС (в ряде случаев до качественного улучшения их параметров по управляемости, проходимости и достижения требуемых эксплуатационных характеристик). Можно надеяться, что после отработки процедуры компьютерной экспертной оптимизации она составит основу инженерной методики электромагнитного расчета и проектирования электромеханических устройств гибридных ТС.

Настоящие выводы сделаны  на основе достаточно упрощенных моделей, но, несмотря на их противоречие с широко распространенными точками зрения, они отражают реальные оценки возможных ситуаций. Разумеется, при проектировании конкретных электрических машин большое (возможно, определяющее) значение будут иметь конструкционные ограничения (зазор, ярмо, глубина и форма паза, прочностные соображения, удельные тепловые потери и др.) и параметры используемых материалов. Можно выразить уверенность, что знание предельных достижимых показателей окажется полезным и поможет оценить "стоимость" того или иного конструкционного ограничения. Участие эксперта целесообразно на всех этапах получения оценок. В частности, на первом этапе оптимизации электродвигателей эксперт может модифицировать выбор геометрии полюсного деления, изменяя весовые коэффициенты и устанавливая конструкционные ограничения на диапазоны изменения геометрических размеров. В дальнейшем целесообразна разработка компьютерной программы, позволяющей проводить предпроектную оценку параметров электромеханических устройств с учетом следующих критериев оценки качества проектируемых электромеханических передач: масса; габаритные размеры; стоимость (изготовления, эксплуатации и общая); рециклирование конструкционных материалов; надежность (ресурс, безотказность, ремонтопригодность и сохраняемость); энергоемкость системы на протяжении полного жизненного цикла.

Эти критерии должны применяться  как к отдельным элементам  системы (двигатели, редукторы), так  я к системе в целом. Целесообразно  использование компьютерной программы, сопоставляющей итоговые результаты расчетов оптимальных по стоимости, массе, габаритным размерам и другим критериям параметров электромеханических устройств (включая максимальные моменты и частоты вращения электродвигателей, кинематические схемы, коэффициенты редукции, число передач) с аналогичными устройствами традиционных ТС, что позволит разрабатывать ТЭО внедрения гибридного электротранспорта.

Выводы основаны и подтверждены расчетными оптимизационными моделями асинхронных электрических машин  с постоянными магнитами, которые учитывают многие факторы (марку электротехнической стали, насыщение, гистерезис и потери от вихревых токов, характеристики проводящих материалов, эффект вытеснения тока и др.). Полученные качественные результаты в основном, видимо, справедливы и для электрических машин других типов, разумеется, при отличающихся количественно показателях.

 

4 Гибридный накопитель энергии для транспорта.

На протяжении последних лет активно ведутся  разработки автомобилей с гибридной  силовой установкой. В качестве электрического источника энергии используются аккумуляторы (металл-гибридные и литий-ионные), суперконденсаторы (или ионисторы-конденсаторы с двойным электрическим слоем в качестве «обкладок»), а также топливные элементы. Наибольшей популярностью сейчас пользуются именно литий-ионные аккумуляторы.

Основными причинами внедрения  накопителей энергии в автомобильную  промышленность является минимизация  использования нефти, главного энергетического  ресурса, и экологичность данного  вида источника энергии. Кроме того, применение накопителей повышает общий КПД транспортного средства за счет использования рекуперативного торможения.

Однако совместное использование  аккумуляторов и теплового двигателя  является не самым эффективным решением. По техническим требованиям эксплуатации  аккумуляторы обладают определенными ограничениями на заряд и разряд, превышение которых ведет к резкому уменьшению ресурса использования накопителя. В отличие от аккумуляторных батарей суперконденсатор способен как принять, так и отдать большое количество энергии за короткий промежуток времени. В то же время использование суперконденсатора как единственного накопителя невыгодно, поскольку параметр удельной плотности энергии (количество запасаемой энергии на единицу массы) у него меньше, чем у самого скромного аккумулятора.

Исходя из вышесказанного появилась идея использования так  называемого гибридного накопителя энергии, состоящего из аккумуляторной батареи и суперконденсатора. Суперконденсатор работает в режимах пуска и  рекуперативного торможения, когда  потребляемый или отдаваемый ток превышает номинальный. Назовем эти режимы динамическими. В номинальных режимах (при номинальном токе), назовем их статическими, используется аккумуляторная батарея.

Расчет расхода  энергии. Оценим расход энергии транспортного средства при отдельном и совместном использовании различных накопителей энергии. Для этого рассмотрим новый европейский цикл движения New European Driving Cycle (NEDC)

 

 

Рисунок 1- Новый европейский  цикл движения

 

Расход энергии  на интервалах разгона.

 

A= Fs,

где F- сила; s- путь

По второму  закону Ньютона сила может быть рассчитана как произведение ускорения a на массу m транспортного средства, а путь- как произведение средней скорости на участке Vср на время движения t по участку:

A= ma;

S=Vt.

 

При расчете  расхода энергии необходимо учесть влияние инерции вращающихся частей транспортного средства и сопротивление движению. Поскольку расход энергии и ускорение являются функциями времени, то итоговая формула может быть записана в виде

A(t) = m(1+g)a(t)Vсрt + WпускVсрt,

где (1+g)- коэффициент инерции вращающихся частей

     Wпуск- сопротивление движению на участках разгона, предварительно определенное в тяговом расчете, не приведенном здесь из-за его громоздкости.

Для расчета  расхода энергии используем метод  приращений, разбив график кривой движения на интервалы.

Ускорение, средняя  скорость и время на расчетном  интервале:

A=

где V1, V2- начальная и конечная скорость рассчитываемого интервала;

          t1 и t2- начальное и конечное время рассчитываемого интервала.

 Новый европейский  цикл движения состоит из четырех  циклов ECE 15 (цикл городской езды, характеризующийся низкой скоростью до 50 км/ч, низкой нагрузкой на двигатель и низкой температурой выхлопных газов) и одного цикла EUDC (пригородный цикл, в конце которого автомобиль разгоняется до максимально допустимой скорости по шоссе).

Расчеты представлены в таблице 1.

 

Цикл	Результаты  расчета
	t, с	V, км/ч	V, м/с	Vср м/с	Wv=const, Н	а, м/с	А, кДж
ЕСЕ 15	14,6 19,5	0 18	0 5	2,5	222,54	1,02	28,8
	66,6 70,4	0 30	0 8,3	4,17	234,3	2,2	76,32
	130 134,3	0 50	0 13,9	6,95	283,3	3,2	210,8
ЕСЕ 15	209.6 214,5	0 18	0 5	2,5	222,54	1,02	28,8
	261,6 265,4	0 30	0 8,3	4,17	234,3	2,2	76,32
	325 329,3	0 50	0 13,9	6,95	283,3	3,2	210,8
ЕСЕ 15	404,6 409,5	0 18	0 5	2,5	222,54	1,02	28,8
	465,6 460,4	0 30	0 8,3	4,17	234,3	2,2	76,32
	520 524,3	0 50	0 13,9	6,95	283,3	3,2	2!0,8
ЕСЕ 15	599.6 604,5	0 18	0 5	2,5	222,54	1,02	28,8
	651,6 655,4	0 30	0 8,3	4,17	234,3	2,2	76,32
	715 719,3	0 50	0 13,9	6,95	283,3	3,2	210,8
EUDC	795,9 834,5	0 70	0 19,4	9,7	361,4	0,5	549,2
	971,9 978,9	50 70	13,9 19,4	16,7	556,8	0,7	267,2
	1016,4 1064,1	70 100	19,4 27.8	23,6	923,75	0,17	1452,2
	1086,8 1095,9	100 120	27,8 33,3	30,6	1407	0.61	745,4