Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В производстве легковых автомобилей и транспортных средств современным трендом становится использование силовых установок, основанных на водородных топливных элементах с протонообменной мембраной. Это обусловлено экологическими и отраслевыми нормами, установленными в рамках правил ЕЭК ООН № 83, а также ГОСТ Р ИСО 23828-2013 и SAE J2579.

Например, использование топливных элементов [1] на легковом автомобиле с массой 1,6 тонны позволяет получить мощность около 100 кВт, при расходе 1,8 кг водорода на 100 миль (161 км), что соответствует 6,5 литрам бензина в пересчете на удельную энергию. Топливные баки для таких автомобилей представляют собой соединенные резервуары, которые под давлением 600-700 бар вмещают 5-6 кг водорода, что обеспечивает запас хода в 500-600 километров. При этом продукты выброса состоят только из воздуха и воды, что делает их экологически чистыми [15].

При оценке пробега автомобиля на водородном топливе по циклу WLTC, лучшие результаты достигаются благодаря эффективному управлению электрической мощностью, вырабатываемой водородным топливным элементом и тяговой аккумуляторной батареей, а также оптимальному распределению этой мощности в моменты пиковых нагрузок [2, 11], разрядки аккумулятора и низких температур. Например, топливный элемент легкового автомобиля Toyota Mirai генерирует около 114 киловатт, в то время как мощность тягового аккумулятора составляет 21 киловатт, а электропривода — 113 киловатт (154 л.с.). Это позволяет в критические моменты использовать мощность аккумулятора, который может обеспечивать ток, превышающий номинальный на 5-10 раз и более, что помогает компенсировать задержку системы управления при запросе мощности от топливного элемента, а затем зарядить аккумулятор от него [12].

Тем не менее, есть задачи, когда необходимо достичь максимальных значений удельной энергоемкости и времени эксплуатации транспортного средства для повышения его пробега и сохранения динамических характеристик. Для этого необходимо разработать алгоритмы, которые будут эффективно распределять мощность в автомобиле, использующем водородный топливный элемент с протонообменной мембраной.

Цель данной работы заключается в разработке математических моделей и алгоритма распределения мощности для автомобилей с водородными топливными элементами. Это включает эффективное управление запрашиваемым током при удовлетворении требований по мощности и увеличение автономности транспорта за счет перераспределения энергии [2].

Объектом исследования является электротехнический комплекс энергетической установки автомобиля, основанный на водородном топливном элементе с протонно-обменной мембраной.

Предметом исследования выступают процессы распределения энергии и реализации запросов по мощности в электротехническом комплексе на основе топливных элементов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Разработка функциональной структуры электротехнического комплекса и ее реализация в имитационной среде, что включает создание комплексной численной модели, которая охватывает модели распределения энергии.
2. Анализ существующих технических решений в области систем электропитания и управления мощностью для автомобильных энергетических установок, использующих водородные топливные элементы.
3. Экспериментальное исследование электротехнического комплекса в контексте численного имитационного моделирования с целью выявления более эффективного алгоритма работы.

Разработка имитационной модели водородного транспортного средства

Существует несколько распространенных методов моделирования (ТС) транспортных средств, включая обратный и прямой подходы. В обратной схеме модель основывается на заранее заданном цикле движения, который строго соблюдается, при этом скорость транспортного средства не изменяется динамически. Напротив, в прямой схеме моделирования управление транспортным средством осуществляется на основе модели водителя, которая следует заданному ездовому циклу, и поэтому скорость становится динамическим параметром.

В рамках прямого подхода цикл движения определяет целевую скорость, которая служит входной переменной для модели водителя. В зависимости от разницы между заданной скоростью и фактической скоростью транспортного средства подсистема водителя преобразует желаемую скорость и ускорение в значения уставки для педали акселератора. Эти значения, в свою очередь, формируют запрос крутящего момента, необходимого для поддержания желаемой скорости [6, 7].

При прямом подходе информация передается в обе стороны, что позволяет фактическим выходным данным возвращаться на вход через систему обратной связи. Это обеспечивает более полное понимание физической системы и ее реального применения, а также дает возможность фиксировать переходные состояния. Это делает модель пригодной для проектирования систем управления и проведения тестирований с использованием полунатурного моделирования в реальном времени. Единственным значительным недостатком этого подхода является медленная вычислительная скорость модели, так как более реалистичные результаты достигаются за счет усложнения модели, что требует меньших временных интервалов для численного решения [8].

Для анализа и испытания разработанных стратегий управления мощностью [4], генерируемой топливным элементом, была создана имитационная модель водородного транспортного средства. Топология модели, использующей прямой подход к моделированию, представлена на рисунке 1.

Математическая модель автомобиля на топливных элементах, оснащенного мотор-генератором, аккумулятором, трансмиссией с прямым приводом и соответствующими алгоритмами управления, была разработана с использованием прямого подхода в среде MATLAB Simulink.

Рис. 1. Топология модели водородного ТС, при прямом подходе моделирования.

Fig. 1. Topology of the hydrogen TS model, using the direct modeling approach.

На рисунке 2 показана математическая модель гибридного водородного транспортного средства, созданная в этой же среде [10, 13]. Она включает в себя такие подсистемы, как «Ездовой цикл», «Водитель», «Блок управления», «Силовой агрегат ТС» и «Визуализация».

Подсистема «Ездовой цикл»

Эта подсистема включает модель ездового цикла, основанную на таблицах зависимости скорости от времени. Выбор конкретного циклового режима в модели осуществляется с использованием блока «Drive Cycle Source» из встроенной библиотеки MATLAB Simulink, который воспроизводит заданный маршрут движения автомобиля. Выходным параметром данного блока является сигнал эталонной продольной скорости транспортного средства, зависящий от времени.

В рамках работы была выбрана модель ездового цикла WLTC, что расшифровывается как Всемирный гармонизированный тестовый цикл для легковых автомобилей.

Цикл WLTC, представленный в модели (см. рисунок 3), включает четыре фазы, отличающиеся скоростью движения и разделенные короткими остановками. В первой фазе Low транспортное средство разгоняется до максимальной скорости 56,5 км/ч. Во второй фазе Medium оно достигает 76,6 км/ч. В третьей фазе High автомобиль разгоняется до максимума 97,4 км/ч, а в последней фазе Extra High — до 131,6 км/ч. Первые две фазы составляют городскую часть цикла WLTC, тогда как последние две — загородную.

Рис. 2. Математическая модель гибридного водородного транспортного средства.

Fig. 2. Mathematical model of a hybrid hydrogen vehicle.

Рис. 3. Ездовой цикл WLTC, используемый в модели.

Fig. 3. WLTC driving cycle used in the model.

Подсистема «Водитель»

В подсистеме «Водитель» скорость, рассчитанная в подсистеме ездового цикла, выступает в качестве входного параметра. Выходными параметрами этой подсистемы являются нормализованные команды ускорения и торможения, основанные на референсной и фактической скорости, полученной через обратную связь из динамической модели автомобиля.

Рис. 4. Подсистема «Водитель».

Fig. 4. Subsystem "Driver".

Для реализации подсистемы используется блок Simulink «Longitudinal Driver» (см. Рисунок 4). Настройки блока выполнены в соответствии с поставленной задачей: установлен тип управления «Predictive» и тип переключения передач — «Reverse, Neutral, Drive». В данной конфигурации подсистема моделирует поведение рулевого управления при движении по траектории и обходе препятствий. Логика работы реализована с использованием прямого моделирования, что позволяет следовать заранее определенному маршруту. Для моделирования переключения передач заднего хода, нейтральной передачи и передачи движения вперед была разработана логическая диаграмма состояний в Stateflow.

Подсистема «Силовой агрегат»

Подсистема представляет собой имитационную модель силового агрегата водородного транспортного средства, включающего электрическую установку и трансмиссию (см. рисунок 5).

В данной подсистеме, разработанной в MATLAB Simulink с использованием библиотеки Simscape, топливный элемент и аккумуляторная батарея соединены с двигателем через электрическую сеть постоянного тока. Система управления определяет, сколько энергии необходимо извлечь из аккумулятора и топливного элемента. Во время торможения энергия рекуперируется для зарядки аккумулятора. Система охлаждения реализована в виде замкнутого контура с охлаждающей жидкостью и обеспечивает необходимый температурный режим для аккумулятора, преобразователей постоянного тока и двигателя.

Рис. 5. Подсистема электрической силовой установки.

Fig. 5. Electric power plant subsystem.

«Электромотор»

В работе электромотор - это бесщеточный синхронный двигатель с постоянными магнитами (СДПМ), который функционирует в определенном диапазоне крутящего момента и частоты вращения ротора, также известный как электрическая машина [9].

Он работает в режиме управления крутящим моментом, получая установленное значение крутящего момента от блока управления и определяя возможные параметры работы при помощи интерполяции угловой скорости двигателя. Электрические потери рассчитываются на основе табличных данных, которые учитывают эффективность в зависимости от скорости и крутящего момента.

Потребляемая мощность электрической машины (Preq) может быть вычислена на основе частоты вращения двигателя (ω_m) и необходимого крутящего момента (T_m), который определяется значением, полученным от нажатия педали акселератора (Уравнение 1).

Эффективность электромотора () зависит от крутящего момента () и скорости вращения () и описывается уравнением 2.

График эффективности электрической машины представлен на рисунке 6.

«Система батареи»

Тяговая аккумуляторная батарея моделируется с использованием библиотечного блока Simulink, который представляет собой модель аккумулятора. Данный блок имитирует напряжение холостого хода в зависимости от уровня заряда (SOC) и температуры (T), опираясь на справочные таблицы. Эквивалентная схема аккумулятора представлена на рисунке 7 и включает в себя модель аккумулятора, резистор саморазряда (R_sd), подсистему динамической зарядки и последовательный резистор (R_0).

Рис. 6. График эффективности электрической машины.

Fig. 6. Graph of the efficiency of an electric machine.

Рис. 7. Эквивалентная схема аккумулятора.

Fig. 7. Equivalent circuit of the battery.

Модель аккумулятора генерирует напряжение холостого хода или напряжение на аккумуляторе, применяя методы интерполяции согласно уравнению 3.

где  – напряжение холостого хода аккумулятора.

Уровень заряда батареи (SOC) определяется как соотношение текущего заряда к номинальной емкости батареи (

Об авторах

Евгений Игоревич Рахматуллин

Email: evgenii.rahmatullin@nami.ru

Инженер Центра программного обеспечения, Сектор калибровочных работ гибридных транспортных средств

Владимир Валентинович Дебелов

Автор, ответственный за переписку.
Email: vladimir.debelov@nami.ru
ORCID iD: 0000-0001-6050-0419

Начальник отдела технологии ПО, Центр  ПО

Список литературы

Дополнительные файлы