Development of operation algorithm of electric drive of an electric vehicle in urban cycle

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в мире наблюдается рост популярности электротранспортных средств, и за последние 5 лет их количество увеличилось более чем в три раза [1].

Электромобильный транспорт обладает множеством преимуществ, в первую очередь по сравнению с автомобильным [2, 3]: 1) отсутствие выбросов загрязняющих веществ; 2) возможность рекуперации энергии; 3) простота передачи энергии по проводам с минимальной массой вращающихся деталей; 4) снижение затрат на обеспечение жизненного цикла ТС не менее чем на 25%; 5) снижение уровня шума на 10…15%; 6) улучшение условий труда водителей за счёт упрощения управлением ТС; 7) практически исключается применение моторных м асел, топлива и охлаждающей жидкости, что способствует охране почвы, грунтовых вод и зелёных насаждений.

Однако существует и ряд недостатков, препятствующих развитию электромобильного транспорта. Основным из них является низкая удельная энергия химических накопителей, которая не превышает 576 Дж/г у литий-ионных аккумуляторов, в то время как для бензина она равна 52,6 кДж/г [4]. Следовательно, электромобиль имеет существенно меньший запас хода по сравнению с автомобилем при равных массогабаритных параметрах. Кроме того, масса аккумуляторной батареи остаётся неизменной в процессе движения, в то время как масса топливного бака автомобиля уменьшается по мере расходования топлива.

Вторым существенным недостатком электрической тяги являются высокие затраты времени на заряд аккумуляторных батарей (АБ). Они могут быть оправданы только для специализированных предприятий (например, при эксплуатации электромобилей только в дневное время, а при заряде батарей — в ночное). Процесс пополнения энергии в химическом накопителе электромобиля при остаточной степени заряженности 25% длится не менее 8 часов [2], а для быстрого заряда большими токами требуется специальное оборудование. Однако это резко снижает ёмкость и ресурс АБ [5] (рис. 1).

 

Рис. 1. Характеристики никель-кадмиевого аккумулятора при различных токах.

Fig. 1. Characteristic curves of a nickel-cadmium battery at various currents.

 

Также ёмкость аккумулятора резко снижается при эксплуатации в условиях низких температур [5] (рис. 2).

 

Рис. 2. Характеристики аккумулятора при различных температурах.

Fig. 2. Characteristic curves of a battery at different temperatures.

 

Таким образом, выбор стратегии производства электромобилей на основе АБ был недостаточно продуман: аккумуляторные электромобили не выдерживают конкуренции с обычными автомобилями по техническим параметрам и удобству эксплуатации.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Выбор стратегии производства электромобилей на основе АБ.

Обзор и анализ накопителей электрической энергии

Обзор и анализ различных накопителей электрической энергии (НЭЭ) показали широкие перспективы использования молекулярных накопителей (МНЭ) в различных областях техники, в том числе тяговых электроприводах (ТЭП) транспортных средств (рис. 3).

 

Рис. 3. Сравнение параметров различных НЭЭ: 1 — химические НЭ; 2 — электростатические и электролитические конденсаторы; 3 — молекулярные НЭ.

Fig. 3. Comparison of parameters of various electric energy accumulators: 1 — chemical; 2 — electrostatic and electrolytic capacitors, 3 — molecular.

 

Ёмкостные накопители (ЕНЭ) отличаются простотой конструкции, удобством в использовании, безопасностью, экологичностью, а самое главное — высокой удельной энергией и способностью быстро накапливать и отдавать запасённую энергию. ЕНЭ работоспособны при низких отрицательных температурах и способны выдерживать глубокие разряды, перезаряды и короткие замыкания. Срок службы, в частности, молекулярных накопителей (МНЭ) обеспечивает более 500 000 циклов заряда-разряда, что значительно больше, чем у аккумуляторов [6, 7].

Основными параметрами МНЭ являются [6]:

• время заряда-разряда: от миллисекунд до секунд;
• рабочая температура: от -40 °C до +85 °C;
• рабочее напряжение одного элемента: около 1 В (для жидких электролитов) и около 2–3 В (для органических электролитов):
• ёмкость: от 1 мФ до >10,000 Ф;
• срок службы: от 5000 до 50 000 часов (в зависимости от температуры и напряжения);
• импульсная нагрузка: до нескольких тысяч А.
• к числу недостатков МНЭ относятся [6]:
• относительно малое время разряда;
• относительно низкое напряжение одного элемента накопителя;
• повышенный саморазряд.

Анализируя свойства аккумуляторов и МНЭ, можно сделать вывод о целесообразности внедрения молекулярных накопителей в тяговые электроприводы транспортных средств с целью повышения их энергоэффективности. Параллельное включение АБ и МНЭ позволяет снизить токовую нагрузку на АБ, повышая тем самым эффективность работы ТЭП в целом.

Проведённый анализ показал большие перспективы использования электрической тяги на транспорте. Однако ни ёмкостный, ни химический НЭ не могут полноценно заменить углеводородное топливо по удельным параметрам.

Анализ движения электромобиля в городском цикле

Решением данной проблемы может послужить сочетание нескольких источников энергии в приводе транспортного средства. Для конкретизации его структурной схемы необходимо проанализировать цикл движения транспортного средства.

Для исследований транспортных средств на топливную экономичность принят цикл, указанный в правилах №83 ЕЭК ООН [9] и ГОСТ Р ЕН 1986-1-2011 [10]. Согласно правилам, цикл состоит из двух частей — городской и магистральной. Целесообразно рассматривать только первую часть городского цикла, представляющую наибольший интерес для анализа энергоэффективности транспортного средства.

Рассматриваемый цикл состоит из фаз разгона, равномерного движения, замедления и стоянки, общая его продолжительность составляет 195 с. Описание городского цикла представлено в графическом виде (рис. 4).

 

Рис. 4. Заданный городской цикл.

Fig. 4. The given urban cycle.

 

Кроме цикла по правилам №83 ЕЭК ООН, существуют и другие, использующиеся в науке для расчётов и испытаний автомобилей на энергоэффективность. Примеры таких циклов приведены на рис. 5а–d.

 

Рис. 5. Циклы движения: а — NEDC; b — WLTC; c — JC08; d — EPA HWFET.

Fig. 5. The driving cycles: a — NEDC; b — WLTC; c — JC08; d — EPA HWEET.

 

Проведём анализ городского цикла. Наибольшая мощность от источника энергии требуется на фазах разгона, т. к. транспортному средству необходимо преодолевать не только аэродинамическое и дорожное сопротивление, но и силу инерции, на которую приходится до 80% затрачиваемой мощности [4]. На фазах равномерного движения эта мощность относительно мала, а при замедлении имеется возможность рекуперации энергии.

Разработка алгоритма работы электропривода

Проведённый обзор и анализ (рис. 3) показали, что ёмкостные накопители энергии обладают высокой удельной мощностью, но относительно низкой удельной энергией, а химические НЭ имеют ровно противоположные свойства. Таким образом, в режиме разгона, где требуется наибольшая мощность, оптимально подключать ЕНЭ в качестве источника энергии. В режиме равномерного движения и для оперативной подзарядки ЕНЭ на остановках целесообразно использовать литий-ионную аккумуляторную батарею (АБ).

При торможении энергию рекуперации следует накапливать в ЕНЭ с целью:

Пополнение запасов энергии в ТАБ целесообразно производить с помощью внешнего зарядного устройства.

На рис. 6 представлен алгоритм работы электропривода ТС в городском цикле.

 

Рис. 6. Алгоритм работы электропривода ТС в городском цикле.

Fig. 6. The operation algorithm of electric drive of an electric vehicle in urban cycle.

 

На рис. 7 представлена структурная схема силовой части электромобиля.

 

Рис. 7. Структурная схема силовой части электромобиля: ТАБ — тяговая аккумуляторная батарея; ПКА — преобразовательнокоммутационная аппаратура; ЕНЭ — ёмкостный накопитель энергии; ТЭМ — тяговая электрическая машина; ГП — главная передача; ВК — ведущие колёса.

Fig. 7. Structural layout of the electric vehicle drivetrain: ТАБ — a traction battery; ПКА — transforming and switching equipment; ЕНЭ — a capacitor; ТЭМ — a traction electric motor; ГП — an axle drive; ВК — driving wheels.

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, разрабатываемое ТС относится к категории электромобилей (рис. 8) [11].

В ходе выполнения работы была оценена эффективность электромобильного транспорта. Анализ показал, что транспортные средства исключительно с химическими источниками энергии на борту перспектив не имеют в виду неудовлетворительных технических параметров и потребительских свойств.

 

Рис. 8. Классификация электромобилей и автотранспортных средств (АТС) с комбинированными энергоустановками (КЭУ).

Fig. 8. Classification of electric vehicles and hybrid vehicles.

 

Был проведён обзор ёмкостных накопителей энергии с целью определения возможности использования их как источников энергии на перспективных транспортных средствах. Исследование показало существенные преимущества ЕНЭ по многим параметрам.

Для создания оптимальной конструкции был произведён анализ движения ТС в городском цикле.

Выбрана схема электропривода, где основным источником энергии является литий-ионная ТАБ, а дополнительным — ёмкостный накопитель. Такое решение позволяет создать электропривод с оптимальными массогабаритными параметрами, увеличить срок службы накопителей энергии и запас хода без подзарядки транспортного средства. Кроме того, сочетание двух электрических НЭ и разработанный алгоритм их работы позволяет реализовать высокий КПД передачи энергии.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. Е.М. Клuмов — написание текста статьи; А.М. Фиронов — экспертная оценка, поиск публикаций по теме статьи; Р.А. Малеев — утверждение финальной версии; С.М. Зуев — создание изображений. 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 проведённым исследованием и публикацией настоящей статьи.

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

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. E.M. Klimov ― writing the text of the manuscript; A.M. Fironov ― expert opinion, search for publications on the topic of the article; R.A. Maleev — approval of the final version; S.M. Zuev — creating images. The authors confirm that their authorship complies with the international ICMJE criteria (all authors made a significant contribution to the development of the concept, research and preparation of the article, read and approved the final version before publication).

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

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

About the authors

Egor M. Klimov

Moscow Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: egormixalich71@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-9739-0267
SPIN-code: 5642-7180

Engineer of the “Electrical Equipment and Industrial Electronics Department

Russian Federation, 38 Bolshaya Semyonovskaya street, 107023 Moscow

Anatoly M. Fironov

Moscow Polytechnic University

Email: a.m.fironov@mospolytech.ru
ORCID iD: 0000-0003-2683-9958
SPIN-code: 8824-5702
Scopus Author ID: 462035

Associate Professor, Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Land Vehicles Department

Russian Federation, 38 Bolshaya Semyonovskaya street, 107023 Moscow

Ruslan A. Maleev

Moscow Polytechnic University

Email: 19rusmal@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3430-6406
SPIN-code: 7801-3294

Associate Professor, Cand. Sci. (Tech.), Professor of the Electrical Equipment and Industrial Electronics Department

Russian Federation, 38 Bolshaya Semyonovskaya street, 107023 Moscow

Sergey M. Zuev

MIREA-Russian Technological University

Email: sergei_zuev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7033-1882
SPIN-code: 6602-6618

Associate Professor, Cand. Sci. (Physics and Mathematics), Head of the Electrical Equipment and Industrial Electronics Department

Russian Federation, 78, Vernadsky Avenue., 119454 Moscow

References

Supplementary files