Development of operation algorithm of electric drive of an electric vehicle in urban cycle
- Authors: Klimov E.M.1, Fironov A.M.1, Maleev R.A.1, Zuev S.M.2
-
Affiliations:
- Moscow Polytechnic University
- MIREA-Russian Technological University
- Issue: Vol 17, No 2 (2023)
- Pages: 137-146
- Section: Combined power plants
- URL: https://journals.eco-vector.com/2074-0530/article/view/321355
- DOI: https://doi.org/10.17816/2074-0530-321355
- ID: 321355
Cite item
Abstract
BACKGROUND: Increasing energy efficiency of an electric vehicle is one of the most relevant issues at the current state of transport development. It is known that chemical current sources used in traction electric drive of vehicles have low specific power, low efficiency and high cost that makes the electric transport development difficult.
AIMS: Making the choice of strategy of manufacturing of electric vehicle with batteries.
METHODS: The mathematical models of various vehicle driving cycles, such as: the UNECE Regulation 83 urban cycle, NEDC, WLTC, JC08, EPA HWEET were used in the study that made possible to confirm adequacy of the developed structural model of the electric drive.
RESULTS: The structural layout of the traction electric drive of an electric vehicle with combined energy source has been developed; the algorithm of its operation in the urban driving cycle has been defined. Electric transport efficiency was assessed during the study. The analysis showed that vehicles with solely chemical on-board energy sources do not have any prospects due to unsatisfactory technical properties and consumer attributes. Review of capacitors was performed in order to define the possibility of using them as energy source for next-generation vehicles. The study revealed sufficient advantages of capacitors in many respects. Analysis of vehicle motion in urban cycle was performed in order to develop the optimal design. The electric drive layout with a lithium-ion traction battery as the main energy source and a capacitor as the additional energy source was chosen.
CONCLUSIONS: This solution makes it possible to develop the electric drive with optimal mass and dimensional parameters, to increase service life of energy storage and mileage without recharging of a vehicle. In addition, the combination of two electric energy accumulators and the developed algorithm of their operation makes it possible to achieve high efficiency of energy transferring.
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 MoscowAnatoly 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 MoscowRuslan 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 MoscowSergey 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 MoscowReferences
- IEA – International Energy Agency. Latest news, commentaries and reports. Accessed: 14.03.2023. Available from: https://www.iea.org/
- Ivanov SA. Issledovanie ispolzovaniya superkondensatorov v kombinirovannykh energoustanovkakh transportnykh sredstv [dissirtation] Moscow; 2003. (In Russ).
- Gusakov NV, Zverev IN, Karunin AL, et al. Car design. Chassis. Moscow: MAMI; 2000.
- Hortov VP. “Fiery motor” with an electric capacitor, or what will save the earth’s oxygen. Tekhnika – molodezhi. 2000;4:34–35. (in Russ.)
- Varypaev VN, Dasoyan MA, Nikolsky VA. Chemical current sources: textbook for chemical-technical specialist. Moscow: Vysshaya shkola; 1990. (In Russ).
- Polyakov NA. Sistema elektrostarternogo puska transportnykh sredstv s primeneniem kombinirovannogo istochnika elektricheskoy energii [dissertation] Moscow; 2005. (In Russ).
- Lavrikov AA, Maleev RA, Zuev SM, et al. Mathematical modeling of an adapter for equalizing battery voltages. Vol. 1. Moscow: MGTU «MAMI». 2019;3(41):57–66. (In Russ).
- Zackheim L.N. Electrolytic Capacitors. Moscow, Leningrad: Gosudarstvennoe energeticheskoe izdatelstvo; 1954.
- GOST R 41.83-99. (Pravila EEK OON № 83). Edinoobraznye predpisaniya, kasayushchiesya ofitsialnogo utverzhdeniya transportnykh sredstv v otnoshenii vybrosov zagryaznyayushchikh veshchestv v zavisimosti ot topliva, neobkhodimogo dlya dvigateley. Dobavlenie 82. Peresmotr 3. (In Russ). Available from: https://meganorm.ru/Data2/1/4294847/4294847005.htm
- GOST R EN 1986-1-2011. Avtomobili s elektricheskoy tyagoy. Izmerenie energeticheskikh kharakteristik. Ch. 1. Elektromobili. (In Russ). Available from: https://files.stroyinf.ru/Data/512/51232.pdf
- GOST R 59078-2020. Elektromobili i avtomobilnye transportnye sredstva s kombinirovannymi energoustanovkami. Klassifikatsiya. (In Russ). Available from: https://files.stroyinf.ru/Data/752/75225.pdf
Supplementary files
![](/img/style/loading.gif)