Efficiency of a hybrid power plant at emergency braking

Abstract

The article describes the efficiency of the hybrid power plant with function of asymmetric changing of power flow when braking on surfaces with different friction coefficient.

Full Text

Безопасность автомобиля во многом зависит от его способности быстро затормозить, сохраняя при этом первоначальную траекторию движения. В связи с этим в настоящее время широкое распространение в автомобилестроении получили антиблокировочные системы (АБС), которые позволяют сохранить габаритный коридор в случае различного сцепления колёс автомобиля с дорогой. Для ряда категорий транспортных средств (грузовые автомобили, автобусы, тяжёлые прицепы и полуприцепы) они являются обязательными элементами конструкции. АБС нашли широкое применение и в легковых автомобилях, начиная от автомобилей бюджетной ценовой категории и заканчивая автомобилями класса люкс, в последних АБС также дополняется системой курсовой устойчивости. Основное назначение АБС - сохранить прямолинейную траекторию движения автомобиля при экстренном торможении, т.е. предотвратить неуправляемый занос. Эффективность данной системы растет с уменьшением коэффициента сцепления с дорогой, на снежном покрытии или льду данная система незаменима, однако преимущество в виде сохранения прямолинейной траектории нивелируется увеличением тормозного пути. Например, на снежном покрытии при торможении со скорости 50 км/ч на шипованных шинах разница тормозного пути между испытуемым автомобилем с АБС и без данной системы составляет более 5м (рисунок1). Рисунок 1. Экстренное торможение с электронными системами и без них Система курсовой устойчивости (ESP) сокращает тормозной путь, однако она не в состоянии в полной мере реализовать такие функции, как: · подтормаживание определенных колес; · изменение крутящего момента двигателя; · изменение угла поворота передних колес (при наличии системы активного рулевого управления). В работах [1, 2] рассмотрена комбинированная энергетическая установка с функцией несимметричного изменения потока мощности через межколесный дифференциал, а также описана логика управления автомобилем при движении по криволинейной траектории. В частности, статья [1] посвящена исследованию возможности наиболее эффективного использования обратимых электромашин, работающих в составе КЭУ с функцией несимметричного изменения потока мощности, для контроля траектории криволинейного движения автомобиля с целью повышения его управляемости и устойчивости. При проведении исследования были использованы программы Adams Car и Adams View. Используя аналогичный подход, в программах Adams Car и Adams View была произведена симуляция поведения автомобиля при экстренном торможении с учетом возможностей комбинированной энергетической установки в части несимметричного распределения крутящего момента, в т.ч. тормозного, и предложена необходимая логика управления этим процессом. Практической ценностью данного исследования является заметное сокращение тормозного пути автомобиля по сравнению со случаями, приведенными на рисунке 1, а также описание оптимальной логики управления КЭУ в ситуации экстренного торможения для конкретного класса автомобилей. Алгоритм управления выходными параметрами КЭУ при экстренном торможении предлагается рассматривать в зависимости от величин угла разворота автомобиля α относительно траектории движения его центра масс, сноса Δos относительно средней линии автомобиля, скоростей перемещения проекций скорости точек контакта колес относительно осей трехгранников (рисунок 2), где значения ij характеризуют переднее/заднее и правое/левое колесо, соответственно. Рассматриваются два режима работы КЭУ: · разворот автомобиля относительно идеальной, математически смоделированной траектории его движения менее чем на 5 градусов (α < ) и приращение заноса менее B ( , где B - колея автомобиля); · разворот автомобиля от идеальной, математически смоделированной траектории на 5 и более градусов без необходимости оценки параметра В ввиду перехода в продолжительный занос, характеризующийся большим начальным значением запаса кинетической энергии транспортного средства и продолжительность процесса t. Для оценки положения автомобиля относительно математической траектории были использованы следующие датчики (рисунок 2). Данные параметры были внесены как динамические в программу Adams. Помимо этого были заданы следующие параметры: - максимальная скорость, с которой начинался процесс торможения; M - масса автомобиля; φ - коэффициент сцепления колес с дорогой; Pem - мощность каждой из обратимых электромашин. Такие параметры, как координаты центра масс и центра крена, размеры (радиусы) колёс с учётом деформации шин, коэффициент аэродинамического сопротивления, определяются автоматически на основе динамических параметров в зависимости от математической модели и режимов работы. Параметры пневмоэлементов выбраны из стандартной библиотеки программного комплекса Adams. Алгоритм работы при отклонении автомобиля от заданной в программе траектории менее чем на 5 градусов следующий: · система считывает и анализирует выходные параметры; · КЭУ переводит левую и правую электромашины в режим генератора, создавая несимметричную нагрузку; · КЭУ переводит левую и правую электромашины в режим обратной электротяги, угловые скорости на полуосях в данном случае должны иметь противоположный знак, нежели угловая скорость на полуосях при движении автомобиля в обычном режиме. Вследствие создания несимметричной тяги появляется поворачивающий момент в сторону, обратную стороне разворота автомобиля. Рисунок 2. Расположение датчиков на автомобиле: 1 - гироскоп в центре масс автомобиля; 2 - датчики положения штока амортизатора; 3 - датчики угловых скоростей; 4 - гироскоп в геометрическом цетре переднего и заднего мостов Рисунок 3. Изменение положения автомобиля в конкретный момент времени Алгоритм работы при отклонении автомобиля от заданной в программе траектории более чем на 5 градусов следующий: · система считывает и анализирует выходные параметры; · КЭУ переводит одну из сторон в режим генератора, вторую - в режим электротяги. Угловые скорости должны быть противоположны по знаку; · КЭУ переводит обе стороны в режим обратной электротяги (рисунок 3). Моделирование строится на основании алгоритма предотвращения заноса автомобиля, описанного в статье [2], и математической модели движения заноса автомобиля [6] при изменении параметра T (момент на ведущих колесах). Суммарный момент на ij колесе с учетом работы ДВС и элетродвигателей: + , где: - момент на ij колесе только от двигателя внутреннего сгорания (параметр равен 0); - момент на ij колесе с только от элетродвигателя. = - (R - ) + . Пусть (R - ) = K, тогда = . Продифференцируем уравнение: = , = t + Const. Зависимость нелинейная, вследствие этого необходимо учитывать дополнительные параметры, например, величину смещения рейки рулевого управления от нулевого положения. Рисунок 4. Распределение точек замера отклонений от математической модели движения ТС при использовании традиционной системы курсовой устойчивости и комбинированной энергетической установки: - отклонение от проекции плоскости XZ; α - угол поворота кузова автомобиля относительно проекции плоскости YZ; - допустимая величина сноса кузова автомобиля без перехода в неуправляемый занос; - допустимый угол поворота кузова автомобиля, обусловленный изменением положения центра масс при маневре автомобиля; - отклонения между идеальными случаями с использованием КЭУ и традиционной системой курсовой устойчивости (чем больше данный параметр, тем выше эффективность КЭУ на данном участке) Согласно результатам проведенных расчетных исследований с заданными параметрами тормозной путь со скорости 100 км/ч до 0 км/ч на сухом покрытии сократился с 58,8 м (АБС) до 51,2 м (КЭУ). При торможении без АБС машина уходила в занос, разворот автомобиля относительно заданной траектории составил 60,8 градуса. Следует отметить, что использование данной системы на обледенелом покрытии эффективно только на скоростях до 60 км/ч из-за большого начального запаса кинетической энергии автомобиля и низких сцепных свойств колес автомобиля с дорогой. На рисунке 4 изображен график распределения точек приращения отклонения от идеальной математической траектории с учетом поворота транспортного средства относительно проекции плоскости YZ на обледенелом покрытии. Меньшая окружность, изображенная на рисунке 4, представляет из себя область определения значений изменения центра масс автомобиля с КЭУ (идеальный случай), большая окружность - автомобиля с традиционной системой курсовой устойчивости и АБС (идеальный случай). Вследствие того, что запас хода на аккумуляторных батареях ограничен, рациональным было бы использовать КЭУ вместе с системой АБС или иметь резерв электроэнергии на случай внештатных ситуаций. Заключение Использование комбинированной энергетической установки вместо или вместе с системой АБС существенно уменьшает тормозной путь автомобиля в случае торможения в экстренной ситуации, что повышает активную безопасность автомобиля. К недостаткам данного метода можно отнести активное вмешательство системы управления КЭУ в поведение автомобиля, таким образом логика срабатывания данной установки должна быть тщательно изучена и систематизирована в зависимости от входных параметров.