Definition of parameters of main components of a vehicle power plant

Abstract

The article deals with definition and calculation of characteristics of the main components of vehicle power plants, it presents principles for selection of rational characteristics of the internal combustion engine and components of traction electrical system in a hybrid power plant, there are expressions for estimation of the parameters.

Full Text

Разработка, внедрение и эксплуатация транспортных средств с комбинированными энергетическими установками (КЭУ), отличающимися высокими показателями топливной экономичности и экологической безопасности, является перспективным направлением раз- вития современного автотранспортного комплекса. Комбинированная (гибридная) энергетическая установка транспортного средства пред- ставляет собой сложный технический объект, в котором организуется совместная работа це- лого комплекса отдельных устройств. При этом каждое звено такой системы нацелено на решение общей задачи - повышение топливной экономичности и экологической безопасно- сти автотранспортного средства (АТС). Сочетание в составе силовой установки АТС двига- теля внутреннего сгорания (ДВС), электрической машины, а также буферного накопителя энергии позволяет избежать неблагоприятных в отношении энергетической и экологической эффективности режимов работы как ДВС, так и электрической машины, реализуя высокий КПД всей системы. Необходимым условием достижения данной цели является выбор рацио- нальных характеристик основных компонентов КЭУ. Данный вопрос рассматривается в настоящей статье, в которой приведена общая методика определения и расчета параметров силовой установки. При разработке электромобилей (ЭМ) и АТС с КЭУ существенными факторами, влия- ющими на параметры силовой установки и ее структуру, являются предъявляемые требова- ния к эксплуатационным характеристикам разрабатываемого транспортного средства, среди которых можно выделить следующие основные показатели: назначение; топливная экономичность; экологические показатели; грузоподъемность; скоростные и тягово-динамические характеристики; реализация контрольного цикла движения; пробег в режиме электромобиля; показатели надежности и безопасности; экономические показатели, в том числе стоимость реализации и экономический эффект при эксплуатации. Среди перечисленных показателей отдельно следует выделить назначение АТС по условиям эксплуатации и требования к скоростным и тягово-динамическим характеристикам транспортного средства. К последним факторам относится характер режима движения АТС - преимущественное использование в условиях городского или загородного движения. Ин- формация о данных показателях является отправной точкой при формировании первона- чального решения по структуре энергетической установки транспортного средства, составу и типу используемого оборудования. С учетом выше сказанного можно обозначить базовую методику расчета и определения параметров основных компонентов энергетической установки транспортного средства, в том числе АТС с КЭУ и ЭМ: Формирование исходных данных, в том числе по требуемым эксплуатационным характе- ристикам и базовому АТС. Проведение тягово-энергетического расчета базового транспортного средства с оценкой топливных, энергетических и экологических показателей. Определение рациональной структурной схемы энергетической установки, состава си- стемы тягово-энергетического оборудования (СТЭО), типа и требуемых характеристик ДВС. Определение алгоритма работы ДВС и СТЭО в составе КЭУ. Тягово-энергетический расчет АТС с КЭУ или ЭМ по заданному алгоритму работы ком- понентов силовой установки. Расчет топливной экономичности и экологических показателей АТС с КЭУ, энергетиче- ских показателей ЭМ. Определение энергетической и топливной эффективности работы энергетической уста- новки на различных участках контрольного цикла. Определение рациональных (оптимизированных) законов управления работой компонен- тов силовой установки. Уточнение, определение и расчет параметров силовой установки, в том числе: двигателя внутреннего сгорания; батареи накопителей электрической энергии (БНЭ); тягового электродвигателя-генератора (ТЭД); электрогенератора-двигателя (ЭГД); силового преобразовательного оборудования. Оценка грузоподъемности АТС с КЭУ и ЭМ. Анализ топливной экономичности и энерге- тической эффективности по критерию выполнения одинаковой транспортной работы. Оценка экономических показателей АТС с КЭУ и ЭМ. Этапы базовой методики расчета АТС с КЭУ и ЭМ могут быть реализованы при помо- щи математического моделирования, предлагаемых в [1] моделей и критериев оценки эф- фективности выбранного технического решения. В основу рационального выбора характеристик силовых агрегатов КЭУ могут быть по- ложены следующие принципы: Мощности ДВС, ЭГД и ТЭД в составе КЭУ последовательного типа должны быть эквивалентны и обеспечивать: со стороны ТЭД необходимые значения крутящего момента и частоты вращения вала КЭУ для реализации контрольного цикла движения АТС, а также максимальной скорости и ускорения; со стороны ДВС и ЭГД реализацию максимальной мощности, необходимой для работы ТЭД в предельных режимах (максимальная скорость и ускорение). В случае конвертации традиционного АТС в автомобиль с КЭУ параллельного или смешанного типа суммарная мощность ДВС и тягового электродвигателя гибридной силовой установки должны быть эквивалентны мощности штатного двигателя внутреннего сгорания базового АТС. Суммарный крутящий момент ДВС и ТЭД на валу КЭУ должен быть не меньше максимального момента штатного ДВС. В основе данных требований лежит прин- цип сохранения тягово-динамических характеристик базового АТС после конвертации. Ана- логичными принципами можно руководствоваться и при конвертации в электромобиль. Во всех случаях совместная работа ДВС и ТЭД на вал КЭУ должна обеспечивать тре- буемые максимальные ускорение и скорость АТС. Характеристики ЭГД в составе КЭУ смешанной структуры должны обеспечивать пуск ДВС, в том числе при значениях частоты вращения, превышающих частоту вращения холостого хода ДВС. Выбор максимальной мощности ДВС, ТЭД и ЭГД может осуществляться посредством тягово-энергетического расчета транспортного средства с полной массой, при этом могут быть рекомендованы следующие соотношения мощностей: P  PК ;Т (1) PP  ТЭД ; (2)ЭГД ЭТ PN  ЭГД ; (3)ДВС  ЭГД М для последовательной структуры КЭУ: ТЭД где: РТЭД - максимальная мощность на валу ТЭД; РК - максимальная требуемая мощность на ведущих колесах АТС; ηТ - КПД механической трансмиссии; РЭГД - максимальная мощность электрогенератора-двигателя; ηЭТ - КПД электрической трансмиссии, включающий КПД ТЭД, преобразователя напряжения (ПН) электродвигателя, БНЭ при разряде и заряде, ПН электрогенератора; NДВС - максимальная мощность ДВС; ηЭГД - КПД электрогенератора-двигателя; ηМ - КПД механической передачи между ДВС и ЭГД; для параллельной и смешанной структур КЭУ: PТЭД NДВС  PК , УМС (4) кроме того, для смешанной структуры КЭУ в качестве оценки характеристик ЭГД могут быть приняты следующие соотношения: PЭГД N ~ ДВС.опт ; (5) Ред. M ЭГД M  Сопр. ; (6) М где: РЭГД - длительная мощность ЭГД при частоте вращения, соответствующей nДВС.опт (с учетом передаточного числа между ДВС и ЭГД); nДВС.опт - частота вращения вала ДВС в режиме минимального удельного расхода топлива; NДВС.опт - мощность на ва- лу ДВС в режиме минимального удельного расхода топлива; ηРед. - КПД механиче- ской связи ДВС и ЭГД (редуктор, муфта); ηУМС - КПД механической трансмиссии АТС и устройства механического сопряжения агрегатов КЭУ; МСопр. - момент со- противления прокручиванию вала ДВС. Выражение (5) может быть принято в случае реализации стационарного режима работы установки ДВС-ЭГД, в том числе для подключаемых автомобилей с КЭУ (электромобилей с увеличенным пробегом типа «Plug-In»). Определение характеристик БНЭ может выполняться согласно нескольким условиям: по условию реализации режима движения за счет только электрической тяги; с учетом перегрузочной способности батареи по току. Требуемый запас энергии БНЭ, необходимый для обеспечения движения АТС с КЭУ в контрольном цикле в режиме электромобиля, определяется в соответствии с выражением WБ.треб.  Wуд  Lтреб. , Вт·ч; (7) где: Lтреб. - требуемый пробег АТС в режиме электромобиля, км; Wуд - удельный расход энергии БНЭ в контрольном цикле, Вт∙ч/км: Wуд.  WБ / LЦ ; (8) где: WБ - расход электрической энергии БНЭ в цикле, Вт∙ч; Lц - пробег в контрольном цикле, км. При известном значении удельной энергии БНЭ может быть рассчитана её масса, кг: mбнэ  WБ.треб. / eуд. ; (9) где: eуд - удельная энергия БНЭ, Вт·ч/кг. Номинальная емкость БНЭ при известном значении номинального напряжения батареи Uбн: Cбн  WБ.треб. /U бн ; (10) Минимальная (требуемая) емкость БНЭ с учетом перегрузочной способности по току: Cб  Pб.макс. ; U бн  kПТ (11) где: Рб.макс - максимальная разрядная мощность БНЭ, Вт; Uбн - номинальное напряжение БНЭ, В; kпт - коэффициент допустимой перегрузки по току разряда БНЭ. Для совре- менных литий-ионных аккумуляторов kпт = 5…20 [2]. Для оценки номинальной емкости БНЭ с учетом перегрузочной способности по току и оптимальной степени заряженности может быть принято следующее выражение: Cбн  Cб ОПТ 100 ; (12) где: Δεопт - диапазон оптимальной степени заряженности БНЭ (%) по условию повышения срока службы аккумуляторной батареи и эффективности разрядно-зарядных режи- мов. Оптимальный уровень заряда БНЭ может быть принят равным 60 %. С учетом пределов степени заряженности при заряде и разряде ±20%, диапазон оптимальной степени заряженности составит Δεопт=40 %. Значение номинальной емкости БНЭ, рассчитанное согласно выражению (12), должно уточняться посредством экспери- ментальных исследований. Необходимым условием объективной оценки энергетической эффективности АТС с КЭУ и электромобиля является анализ топливной экономичности и расхода электрической энергии тяговой батареи по критерию выполнения одинаковой транспортной работы. Дру- гими словами, при определении фактического расхода топлива АТС с КЭУ или расхода электроэнергии тяговой аккумуляторной батареи электромобиля необходимо учитывать сте- пень изменения грузоподъемности АТС после конвертации. Грузоподъемность электромобиля или АТС с КЭУ является основной эксплуатацион- ной характеристикой, представляет собой максимальную массу единовременно перевозимо- го груза и должна соответствовать техническим характеристикам базового транспортного средства. Расчет грузоподъемности АТС с КЭУ или ЭМ сводится к оценке изменения массы ба- зового транспортного средства при его конвертации. При этом исходными данными для рас- чета служат: грузоподъемность базового транспортного средства Gб; масса демонтируемого оборудования Gдо; масса устанавливаемого оборудования Gуо. Тогда, выражение для определения грузоподъемности АТС с КЭУ или ЭМ будет иметь вид: G  Gб  G до  G уо . (13) Грузоподъемность АТС с КЭУ или ЭМ также можно представить как разность полной массы АТС Gп и собственной массы Gс: Gкэу  Gп  Gс . (14) При этом полная масса АТС с КЭУ Gп не должна превышать полную массу базового транспортного средства (по условию допустимых нагрузок на оси АТС). В качестве основного демонтируемого оборудования базового транспортного средства могут выступать: двигатель внутреннего сгорания и навесное оборудование; коробка перемены передач; элементы топливной системы; элементы механической трансмиссии; другое оборудование в зависимости от конфигурации АТС с КЭУ или электромобиля. В общем случае устанавливаемым оборудованием, существенно влияющим на грузо- подъемность электромобиля или АТС с КЭУ, являются: тяговый электродвигатель-генератор; электрогенератор-двигатель; батарея накопителей электрической энергии; оборудование для преобразования электрической энергии и устройства управления; оборудование для преобразования механической энергии (промежуточные редукторы, устройства сопряжения узлов силовой установки); После определения грузоподъемности полученные результаты расхода топлива АТС с КЭУ или электроэнергии тяговой батареи электромобиля должны быть проанализированы с точки зрения выполнения одинаковой транспортной работы и скорректированы. При этом транспортную работу АТС можно определить по следующему выражению: A  G  L , (15) где: G - грузоподъемность АТС с КЭУ, т; L - пробег при совершении транспортной работы, км. Приведенная базовая методика определения и расчета параметров основных компонен- тов комбинированной энергетической установки транспортного средства может быть ис- пользована для предварительной оценки характеристик АТС с КЭУ и электромобилей на стадии расчетных исследований, а также способствовать рациональному выбору параметров силовых агрегатов при конвертации. При разработке АТС с КЭУ и ЭМ существенными факторами, влияющими на характе- ристики силовой установки и ее структуру, являются предъявляемые требования к эксплуа- тационным характеристикам нового АТС, в том числе преимущественные условия движе- ния. В случае конвертации транспортного средства традиционно конструкции в электромо- биль или автомобиль с КЭУ должен быть положен принцип сохранения тягово- динамических характеристик и функций штатных бортовых систем базового АТС. При определении характеристик аккумуляторной батареи в составе КЭУ рекомендуе- мым является расчет по нескольким условиям, дополняющим друг друга: по условию реализации режима движения за счет только электрической тяги; с учетом перегрузочной способности по току. Необходимым условием объективной оценки топливной эффективности АТС с КЭУ и энергетической эффективности электромобиля является анализ топливной экономичности по критерию выполнения одинаковой транспортной работы, таким образом, при определении фактического расхода топлива АТС с КЭУ, а также расхода электрической энергии тяговой батареи электромобиля, необходимо учитывать степень изменения грузоподъемности АТС после конвертации.