Определение параметров основных компонентов энергетической установки транспортного средства

Аннотация

В статье рассматриваются вопросы определения и расчета характеристик основных компонентов энергетических установок автотранспортных средств, представлены принципы выбора рациональных характеристик двигателя внутреннего сгорания и компонентов системы тягового электрооборудования в составе КЭУ, приведены выражения для расчетной оценки указанных параметров.

Полный текст

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.