The rechargeable systems of electric energy storage for the category L vehicles

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Создание мототехники в настоящее время наряду с автомобилестроением не стоит на месте.

В современном мире необходимо учитывать огромное количество аспектов при создании мототехники. Одним из критериев при создании 2-х колесного транспортного средства является решение экологической проблемы. Мотоцикл с электроприводом позволяет удовлетворить решить эту проблему. Однако, при проектировании электромотоцикла на первый план выходят вопросы, связанные с обеспечением соотношения между высокими показателями запаса хода и низкими значениями массово-габаритных показателей перезаряжаемой системы хранения электроэнергии (ПСХЭ). ПСХЭ, являющейся одной из главной и массивной части в составе электромотоцикла, уделяется большое внимание при проектировании и расчете основных энергетических и инерционных показателей транспортного средства категории L.

Целью исследования является повышение энергоэффективности 2-х колесного транспортного средства с электроприводом за счет разработки ПСХЭ, учитывающей массово-габаритные показатели.

КОНСТРУКЦИИ ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫХ СИСТЕМ ХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ И ЭЛЕКТРОМОТОЦИКЛОВ. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Основной проблемой электромобилей и электромотоциклов является увеличенная масса транспортного средства по сравнению с традиционными. Большое влияние на массовые характеристики оказывает ПСХЭ (конструкция каркаса и внутренние компоненты), которая является источником энергии для движения мотоцикла. Избыточная масса приводит к уменьшению запаса хода, ухудшению характеристик управления и устойчивости транспортного средства.

Несмотря на то, что количество электромобилей на мировом рынке резко возросло, массовое производство систем хранения электрической энергии и электродвигателей остается самой большой проблемой. Производителей, поставляющих ПСХЭ, относительно мало по сравнению с высоким спросом на электромобильные продукты. Таким образом, перезаряжаемая система хранения электроэнергии по-прежнему остается самым дорогим компонентом электромобиля и электромотоцикла. В среднем ПСХЭ составляет около 40% от общей стоимости производства электромобилей. Эта проблема оказывается серьезной для конкуренции электромотоциклов с обычными транспортными средствами категории L, работающими на двигателе внутреннего сгорания (ДВС) [1].

Различные категории электрических транспортных средств и варианты конечного их использования имеют разные потребности в энергии и характеристики зарядки. Разработка ПСХЭ происходит в соответствии с категориями транспортных средств, то есть городскими, региональными и дальнемагистральными грузовиками и автобусами, электромобилями и электромотоциклами. Как правило, чем дольше требуется независимая и непрерывная работа ЭТС без подзарядки, тем большей должна быть емкость ПСХЭ. Большое влияние на производство тяговых аккумуляторных батарей оказывают технические требования транспортных средств, такие как – запас хода (энергоэффективность), управляемость, устойчивость на дороге, манёвренность и безопасность [2].

На рис. 1 представлены основные конструкции электромотоциклов с различными ПСХЭ и кратким описанием их технических характеристик.

 

Рис. 1. Электромотоциклы с техническими характеристиками. / Fig. 1. Electric motorcycles and their technical properties.

 

Основная задача, которая ставится перед разработчиками и конструкторами при проектировании ПСХЭ, заключается в сочетании нахождения баланса между уменьшением массы перезаряжаемой системы хранения электроэнергии и увеличением ее емкости для увеличения запаса хода ЭТС.

Для нахождения правильного подхода в проектировании ПСХЭ попробуем разобраться в особенностях их конструкции.

Типовая ПСХЭ состоит из двух основных частей:

1. электрическая часть (аккумуляторные модули рис. 2, коммутационная часть);
2. механическая часть (силовой каркас, теплообменники).

 

Рис. 2. Аккумуляторный модуль, состоящий из аккумуляторных ячеек [3]. / Fig. 2. The battery module consisting of battery cells [3].

 

На емкость ПСХЭ (и, как следствие, на запас хода) влияют характеристики аккумуляторных ячеек (их количество в модулях, тип, химический состав, физические свойства) [4]. Проблема проектирования ПСХЭ заключается в том, что сейчас перед разработчиками стоит задача по поиску компромисса между увеличением емкости ПСХЭ и, в тоже время, снижением ее массы. Различные категории ЭТС и варианты конечного их использования имеют разные потребности в электроэнергии и характеристиках зарядки ПСХЭ. Как правило, чем дольше требуется независимая и непрерывная работа без подзарядки, тем большей должна быть емкость ПСХЭ с точки зрения производства.

В настоящее время доступны и готовы к продаже различные по химическому составу и конструкции ячеек ПСХЭ для электромобилей. В основном разрабатываются и применяются литий-ионные аккумуляторы с различным химическим составом для легких транспортных средств и электромотоциклов.

Помимо химического состава аккумуляторной ячейки важно обратить внимание на ее геометрическую форму, которая в дальнейшем влияет на конструкцию и габариты ПСХЭ в целом. В настоящее время существует несколько форм ячеек:

• пакетные (рис. 2), наиболее распространенные, ввиду простоты процесса сборки модуля;
• пальчиковые (рис. 3), характеризующиеся наиболее трудоемким процессом сборки модулей.

 

Рис. 3. Пальчиковый аккумуляторный элемент [5]. / Fig. 3. The finger-type battery element [5].

 

Технология аккумуляторной батареи должна подбираться в соответствии с ее применением в транспортном средстве, поскольку это влияет на выбор решения для ее зарядки. Электрические транспортные средства, требующие очень быстрой зарядки, должны иметь соответствующие аккумуляторные ячейки и системы управления, подходящие для этой цели. Например, никель–марганцево–кобальтовые ячейки (NMC) подходят для использования в ПСХЭ с возможностью быстрой подзарядки. Другой технологией на рынке, особенно часто используемой для ПСХЭ большой емкости, является фосфат железа лития (LFP), который также обладает большей степенью безопасности, чем NMC. Наряду с увеличением емкости разработка новых ПСХЭ продвигается в направлении улучшения жизненного цикла ПСХЭ, а также масштабируемых, модульных и легких конструкций, что благоприятно влияет на массовое и габаритные показатели электрических транспортных средств категории L. В настоящее время, следует отметить, быстрое ежегодное снижение затрат на ПСХЭ в сочетании с улучшением их производительности, что в значительной степени объясняет существенно улучшившееся восприятие рынком этих продуктов и товаров [6, 7].

Помимо электрической части, в конструкции перезаряжаемой системы хранения электроэнергии применяются механические элементы, которые обеспечивают жесткость, герметичность конструкции, охлаждают и нагревают энергетические элементы, которые в свою очередь обладают значительной массой и напрямую влияют на запас хода, маневренность и управляемость электрического транспортного средства [8, 9].

Основными механическими элементами ПСХЭ являются: силовой каркас (рис.4), который обеспечивает защиту, сборку, герметичность аккумуляторным ячейкам и система термостатирования, которая обеспечивает отвод теплоты от ячеек в процессе работы.

 

Рис. 4. Силовой каркас ТАБ [3]. / Fig. 4. The frame of the traction battery [3].

 

Основная проблема при разработке механической части каркаса, на сегодняшний день, заключается в снижении веса сборочного узла при сохранении достаточной прочности силовой конструкции и ее безопасности.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА

Как отмечалось ранее, лишний вес каркаса негативно влияет на энергоэффективность (запас хода) транспортного средства, его маневренность и управляемость.

С целью решения задачи по снижению массово-габаритных показателей ПСХЭ применяется один из методов моделирования силовых элементов с одинаковой геометрической схемой, но с применением различных материалов (цветных сплавов) [10]. Производится теоретическая симуляция нагрузок на указанные силовые элементы и сравнение проектируемых деталей, изготовленных из различных материалов (рис.5). Это позволяет оценить запас по прочности детали, оптимизировать массу конструкции и выбрать необходимый материал для ее изготовления.

 

Рис. 5. Симуляция стальной детали на вибропрочность. / Fig. 5. The vibrational strength simulation of a steel component.

 

Для выбора геометрии деталей и их материала производится несколько типов теоретических расчетов в следующей последовательности (отличительная особенность данного подхода в том, что при условии выполнения основных симуляций, представленных ниже, не требуется дополнительные прочностные и нагрузочные расчеты):

1. Составление топологической схемы:

a. задаются необходимые габариты конструкции, и точки крепления. Как правило, создается параллелепипед, как исходная модель;

b. исходя из условий работы узла, прикладывается внешнее воздействие, под которое оптимизируется конструкция;

c. получение структурной картины детали или сборочной единицы, по которой происходит выбор сечения детали и ее ребер жесткости.

2. Расчет жесткости конструкции. Полученная из топологического анализа, конструкция оценивается в системе окружающих деталей. Конструкция неподвижно закрепляется в точках ее крепления и прикладывается угол на скручивание в 1°. Задается материал с его плотностью. Далее, измеряется крутящий момент (Мкр) в местах заделки. Исходя из измерений этого параметра, делается вывод для дальнейшего усиления, облегчения конструкции или изменения материала с более высоким или более низким коэффициентом текучести σт.

3. Расчет на вибростойкость конструкции состоит из:

a. модального анализа. Определяются собственные частоты конструкции. В большинстве случаев они находятся в диапазоне от 1 до 200 Гц. Из модального анализа через оценку энергии деформаций в различных зонах определяется наиболее нагруженная область

b. гармонического анализа. Так как в модальном анализе невозможно оценить уровень напряжений, проводится гармонический анализ. Конструкции задается конкретное перемещение 0,2 мм в диапазоне частот от 1 до 200 Гц и оценивается ее поведение (податливость к деформации).

4. По результатам расчетов происходят вариации материала деталей либо их геометрии.

5. При проектировании деталей перезаряжаемой системы хранения электроэнергии для электрических транспортных средств категории L особое внимание уделяется снижению массы при сохранении жесткости конструкции в целом. Для этого используются дюралюминиевые сплавы, композитные материалы, которые имеют предел текучести σ_т =400 Мпа сопоставимый пределом текучести стали, но имеющие вес в 3–4 раза меньше, чем стальные детали.

ВЫВОДЫ

На сегодняшний день, основной задачей при создании ПСХЭ для электрических транспортных средств, в том числе и электромотоциклов, является снижение ее массы. Одним из направлений по реализации решения, указанной задачи, является использование вариативных сплавов в конструкции каркаса ПСХЭ. В статье продемонстрирован метод расчета конструкции каркаса перезаряжаемой системы хранения электроэнергии, позволяющий оптимальным образом выбрать материал и геометрию деталей, что позволяет снизить массово-габаритные показатели на 20%. Следующим этапом настоящего исследования будет изготовление опытного образца и практические испытания ПСХЭ для подтверждения теоретических расчетов.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. И.П. Дегтярев ― написание текста рукописи, поиск публикаций по теме статьи, редактирование текста рукописи, создание изображений; Р.Х. Курмаев ― экспертная оценка, утверждение финальной версии. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors contribution. I.P. Degtyarev ― search for publications, writing the text of the manuscript, editing the text of the manuscript, creating images; R.H. Kurmaev ― expert opinion, approval of the final version. All authors confirm that their authorship meets the international ICMJE criteria (all authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work).

Competing interests. The authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Ivan P. Degtyarev

State Scientific Center of the Russian Federation “NAMI”

Author for correspondence.
Email: iIvan.degtyarev@nami.ru
ORCID iD: 0000-0001-5378-6578

Chief Design Engineer of the Information and Intelligent Systems Center

Russian Federation, 2 Automotornaya street, 125438 Moscow

Rinat H. Kurmaev

State Scientific Center of the Russian Federation “NAMI”

Email: rinat.kurmaev@nami.ru
ORCID iD: 0000-0001-7064-0466
SPIN-code: 6483-2444

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor, Director of the Research and Education Center

Russian Federation, 2 Automotornaya street, 125438 Moscow

References

Supplementary files