Study of the operability and effectiveness of the algorithm for controlling the acceleration and deceleration of a wheeled vehicle by means of an accelerator pedal in conditions of highway traffic

全文:

Введение

Сегодня на дорогах мы всё чаще встречаем транспортные средства на электрической тяге. Этому способствует неуклонное совершенствование характеристик перезаряжаемых систем хранения электрической энергии. Но стоит отметить, что всё ещё данные характеристики недостаточны, чтобы в полной мере конкурировать с автомобилями, имеющими двигатели внутреннего сгорания. Поэтому немаловажным является совершенствование агрегатов и методов их управления, позволяющее снизить расход энергии, что приведёт к улучшению ключевого свойства техники с электроприводом — дальность хода на одной подзарядке.

Особое место занимают пассажирские транспортные средства — электробусы, имеющие характеристики, представленные в [1]. Данные транспортные средства оснащены перезаряжаемой системой хранения электрической энергии (тяговой аккумуляторной батареей) и индивидуальным тяговым электрическим приводом ведущих колёс. Тяговые аккумуляторные батареи имеют достаточно высокую стоимость, что влечёт за собой повышение стоимости подвижного состава. Поэтому важно минимизировать рост стоимости при повышении энергоэффективности, снижая удельный расход энергии W_сум, кВтч/км, увеличивая при этом автономный пробег и снижая потребность в зарядке системы хранения энергии и затраты на осуществление перевозок.

Для этого применяются всё более энергоёмкие тяговые аккумуляторные батареи, в том числе в различных сочетаниях более прогрессивные электроприводы [2, 3]. Вторым способом является применение алгоритмов и методов управления агрегатами, позволяющими минимизировать потери энергии, например, алгоритмы управления тяговым электроприводом, осуществляющие наиболее энергоэффективный переход из одного состояния в другое при движении по соответствующему запросу [4–17]. В том числе реализуются способы управления с помощью применения ресурсоёмких методов на основе нейросетевых технологий и искусственного интеллекта, которые сложно реализовать с помощью вычислительных мощностей бортового электронного блока управления.

Зависимости запрашиваемого крутящего момента от положения педали хода при различных скоростях движения

При эксплуатации колёсной машины в дорожных условиях встречаются тяговый, тормозной режим движения, а также движение по инерции (накатом). В тяговом режиме тяговый электропривод работает в двигательном режиме, а в случае замедления в генераторном режиме. При движении накатом тяговый электропривод должен имитировать сопротивление аналогично транспортным средствам с двигателями внутреннего сгорания. При этом имеется возможность осуществлять рекуперацию энергии в перезаряжаемую систему хранения электрической энергии.

При классическом двухпедальном управлении в тяговом режиме оно осуществляется при нажатии педали хода, а в тормозном режиме — педалью тормоза. В случае движения накатом обе педали должны быть отпущены.

При однопедальном управлении изменение ускорения, замедления, скорости движения транспортного средства осуществляется только одной педалью хода за счёт изменения степени её нажатия. При высокой степени нажатия машина работает в тяговом режиме, разгоняясь, при отпускании и снижении степени нажатия замедляется, работая в тормозном режиме. При промежуточных значениях глубины нажатия реализуется движение по инерции (рис. 1) [18, 19].

 

Рис. 1. Основные принципы управления [18, 19]: a — режимы движения машины в зависимости от степени нажатия на педаль хода; b — при нажатии на педаль; c — при отпускании педали.

Fig. 1. Main control principles [18, 19]: a — vehicle motion modes depending on an accelerator pedal position; b — at pushing the pedal; c — at releasing the pedal.

 

Значения степени нажатия на педаль хода, характеризующие положение зон различных режимов работы привода, а также значения уставок крутящего тягового и рекуперативного момента двигателя определяются по зависимостям, приведённым в [18, 19].

Исследование работоспособности алгоритма управления с помощью педали хода при виртуальной эксплуатации с помощью имитационного моделирования в условиях магистрального движения

Важно оценить эффективность метода в различных условиях движения. Для этого рационально прибегнуть к методам имитационного математического моделирования. Энергоэффективность предлагаемого метода будем оценивать по значению удельного расхода энергии, затраченной на 1 км пути при имитационном моделировании движения [19, 20] транспортного средства с использованием модели движения, общий вид которой проведён на рис. 2, дополненной имитационными моделями тягового электрического привода, приведёнными в [21], перезаряжаемой системы хранения электрической энергии, системой управления.

 

Рис. 2. Схема цикла движения [21].

Fig. 2. The motion cycle diagram [21].

 

Проведено исследование движения транспортного средства, управляемого с помощью только педали хода в условиях схожих с эксплуатационными, а также управляемого классическим методом с помощью двух педалей управления. Исследовательский цикл движения показан на рис. 2 [21]. Важно оценить эффективность в условиях магистрального движения, когда при классическом управлении педаль тормоза задействуется редко. В городских условиях транспортное средство может также двигаться в эквивалентных условиях, например, при движении по вылётной магистрали, пригородным шоссе, скоростным проспектам.

Виртуальным испытаниям подвергалось транспортное средство [1], двигающееся по опорному основанию «сухой асфальт», оснащённое системой формирования управляющего сигнала со стороны педали хода [18, 19], а также для сравнения машина с классическим способом управления с двухпедальным прямым управлением крутящим моментом от педали хода, а тормозным моментом — от педали тормоза. На рис. 3–7 приведены основные параметры движения машины с прямым управлением моментом тяговых электродвигателей от педали хода.

 

Рис. 3. Плотность вероятности положения педали акселератора для варианта с прямым управлением моментом (двухпедальное управление).

Fig. 3. Probability density of the accelerator pedal position in the direct torque control option (two-pedal control).

 

Рис. 4. Плотность вероятности положения педали тормоза для варианта с прямым управлением моментом (двухпедальное управление).

Fig. 4. Probability density of the brake pedal position in the direct torque control option (two-pedal control).

 

Рис. 5. Плотность вероятности крутящего момента на ведущем колесе для варианта с прямым управлением (двухпедальное управление).

Fig. 5. Probability density of the traction torque at the driving wheel in the direct torque control option (two-pedal control).

 

Рис. 6. Плотность вероятности рекуперативного момента на ведущем колесе для варианта с прямым управлением моментом (двухпедальное управление).

Fig. 6. Probability density of the regenerative torque at the driving wheel in the direct torque control option (two-pedal control).

 

Рис. 7. Плотность вероятности тормозного момента на ведущем колесе для варианта с прямым управлением моментом (двухпедальное управление).

Fig. 7. Probability density of the braking torque at the driving wheel in the direct torque control option (two-pedal control).

 

Зависимости для плотностей вероятности положения тормозной педали и тормозного момента на ведущем колесе не представлены, т. к. в процессе движения водитель гораздо эффективнее использовал рекуперативные возможности тягового привода для замедления и рабочей тормозной системой не пользовался.

На рис. 8–10 представлены те же зависимости для варианта, оснащённого системой формирования управляющего сигнала со стороны только педали хода.

 

Рис. 8. Плотность вероятности положения педали хода для варианта однопедального управления.

Fig. 8. Probability density of the accelerator pedal position in the single-pedal control option.

 

Рис. 9. Плотность вероятности крутящего момента на ведущем колесе для варианта однопедального управления.

Fig. 9. Probability density of the traction torque at the driving wheel in the single-pedal control option.

 

Рис. 10. Плотность вероятности рекуперативного момента на ведущем колесе для варианта однопедального управления.

Fig. 10. Probability density of the regenerative torque at the driving wheel in the single-pedal control option.

 

Анализ параметров движения (см. рис. 8–10) электробуса в магистральном цикле с различными алгоритмами управления тяговым электроприводом показывает следующее. В случае, когда электробус оснащён системой формирования управляющего сигнала со стороны педали акселератора, водитель использует диапазон положения педали акселератора 30…60%, на электробусе с прямым управлением моментом тяговых электродвигателей более равномерно используется практически весь диапазон (до 100%), что может привести к более высокой утомляемости водителя. Диапазоны изменения крутящих моментов на ведущих колёсах практически идентичны. А вот диапазон использования рекуперативного момента для однопедального управления расширен практически в 10 раз (с 25 Нм до 250 Нм), что и обусловливает неиспользование рабочей тормозной системы при однопедальном управлении.

Исследование энергоэффективности алгоритма управления с помощью педали хода при виртуальной эксплуатации с помощью имитационного моделирования в условиях магистрального движения

Энергоэффективность алгоритмов управления тяговым электроприводом будем оценивать по показателю удельной энергии: суммарной $W_{сум}$, которая затрачивается на движение за один километр пробега

$W_{сум}=\sum _{i=1}^n\frac{1}{L}\underset{0}{\overset{t}{\int }}{M}_{кi}{\omega }_{кi}dt$, (1)

и рекуперативной $W_{рек}$, которая вырабатывается тяговыми электродвигателями в генераторном режиме работы и возвращается в тяговую аккумуляторную батарею за один километр пробега

$W_{рек}=\sum _{i=1}^n\frac{1}{L}\underset{0}{\overset{t}{\int }}{M}_{рекi}{\omega }_{кi}dt$. (2)

В формулах (1) и (2) $L$ — пройденный путь; $M_{кi}$ — полный момент на i-м ведущем колесе; $M_{рекi}$ — рекуперативный момент на i-м ведущем колесе; ${\omega }_{кi}$ — угловая скорость вращения i-го ведущего колеса.

Суммарная средняя удельная мощность для двух вариантов управления тяговым приводом в магистральном цикле движения показана на рис. 11, рекуперативная средняя удельная мощность — на рис. 12.

 

Рис. 11. Суммарная удельная энергия, затрачиваемая на движение в магистральном цикле за один километр пробега: 1 — с однопедальным управлением; 2 — с прямым управлением моментом.

Fig. 11. Total specific energy consumed for motion in the highway cycle per km: 1 — with the single-pedal control; 2 — with the direct torque control.

 

Рис. 12. Рекуперативная удельная энергия, затрачиваемая на движение в магистральном цикле за один километр пробега: 1 — с однопедальным управлением; 2 — с прямым управлением моментом.

Fig. 12. Regenerative specific energy consumed for motion in the highway cycle per km: 1 — with the single-pedal control; 2 — with the direct torque control.

 

Выводы

Из рис. 11, 12 видно, что в магистральном цикле удельные энергозатраты для электробуса с однопедальным управлением меньше на 7…10% (в зависимости от режима движения) по сравнению с электробусом с прямым управлением моментом тяговых электродвигателей. При этом удельная мощность рекуперации у электробуса с однопедальным управлением в среднем на 300% больше, чем у электробуса с прямым управлением моментом тяговых электродвигателей, что приводит к тому, что рабочая тормозная система практически не задействована в первом случае, что дополнительно ведёт к экономии её ресурса.

Дополнительная информация

Вклад авторов. А.В. Климов ― разработка теоретических основ и алгоритма управления ускорением и замедлением транспортного колёсного средства посредством педали, имитационное математическое моделирования функционирования и эффективности алгоритма, написание текста рукописи, редактирование текста рукописи, создание изображений; Б.К. Оспанбеков — поиск публикаций по теме статьи; А.В. Антонян — доработка математической имитационной модели, проведение расчётов. 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. A.V. Klimov ― development of theoretical fundamentals and the algorithm for controlling acceleration and deceleration of a wheeled vehicle by means of a pedal, mathematical simulation of the functioning and effectiveness of the algorithm, writing and editing the text of the manuscript, creating images; B.K. Ospanbekov — search for publications on the topic of the article; A.V. Antonyan — revision of the mathematical simulation model, carrying out calculations. The authors confirm that their authorship meets the international ICMJE criteria (all authors have 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.

作者简介

Alexander Klimov

KAMAZ Innovation Center; Moscow Polytechnic University

编辑信件的主要联系方式.
Email: klimmanen@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5351-3622
SPIN 代码: 7637-3104

Cand. Sci. (Engineering), Head of the Electrified Vehicles Service, Associate Professor of the Advanced Engineering School of Electric Transport

俄罗斯联邦, Moscow; Moscow

Baurzhan Ospanbekov

KAMAZ Innovation Center; Moscow Polytechnic University

Email: ospbk@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2756-7907
SPIN 代码: 4857-4073

Cand. Sci. (Engineering), Deputy Head of the Electrified Vehicles Service, Associate Professor of the Advanced Engineering School of Electric Transport

俄罗斯联邦, Moscow; Moscow

Akop Antonyan

KAMAZ Innovation Center; Moscow Polytechnic University

Email: AntonyanAV@kamaz.ru
ORCID iD: 0000-0002-5566-6569
SPIN 代码: 4797-9808

Cand. Sci. (Engineering), Head Specialist in Programming and Simulation Modeling, Associate Professor, Senior Researcher of the Advanced Engineering School of Electric Transport

俄罗斯联邦, Moscow; Moscow

参考

补充文件