Полная версия

Главная arrow Техника arrow Бортовые источники и накопители энергии автотранспортных средств с тяговыми электроприводами

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Расчетный цикл движения АТС с механическим накопителем

В качестве расчетного цикла движения принят цикл НАМИ-2, представленный на рис. 4.14.

Цикл НАМИ-2 представлен шестью участками с постоянными величинами ускорения (замедления) (табл. 4.9).

Алгоритм работы тягового электропривода АТС с механическим накопителем энергии

Таблица 4.9. Характеристика участков ездового цикла НАМИ-2

Участок

Начало-

конец, с

оа, км/ч

2

а, м/с

Движение АТС с гибридной установкой

Канал передачи энергии к ВК

і

0-8

0-21,05

0,731

Разгон с постоянным ускорением

Электромеханический от ТАБ

2

8-19

21,05-50

0,731

То же

Электромеханический от ТАБ + механический от МН

3

19-39

50

0

Равновесие

Механический от МН

4

39-50,2

50-10

-0,992

Рекуперативное

торможение

Электромеханический от ВК к ТАБ

5

50,2-53

10-0

-0,992

Механическое

торможение

6

53-83

0

0

Стоянка

V,, км/ч

получающего электропитание от ТАБ, по электромеханическому каналу ТАБ - И - ТЭД - Р - ГП - ВК.

  • 2. Доразгон АТС на участке 2 от скорости у0 = 21,05 км/ч до максимальной Т)макс = 50 км/ч в течение 11 с. Привод ВК — комбинированный, по двум каналам. По механическому каналу МНЭ — АКП — Р — ГП — ВК по электромеханическому каналу (как на участке 1) ТАБ - И - ТЭД - Р - ГП - ВК.
  • 3. Равномерное движение на участке 3 с максимальной скоростью в течение 20 с. Мощность МНЭ разделяется на два потока. Привод В К осуществляется только по механическому каналу: МНЭ — АКП — Р — ГП — ВК. От двигатель-генератора производится зарядка ТАБ по каналу: МНЭ — Г — И — ТАБ.
  • 4. На участке 4 рекуперативного торможения (до скорости 10 км/ч) производится передача части кинетической энергии АТС на зарядку ТАБ по электромеханическому каналу: ВК — ГП — Р — ТЭД - И - ТАБ.
  • 5. Участок 5 — участок механического торможения. Возможна до-зарядка ТАБ по каналу: МНЭ — Г — И — ТАБ.
  • 6. Участок 6 — участок стоянки АТС на перегоне в течение 30 с. При необходимости на этом участке может производиться дозарядка ТАБ от двигатель-генератора: МНЭ — Г — И — ТАБ.

Расчет энергетических характеристик гибридной установки

Энергетический баланс системы ТЭП АТС с гибридной энергоустановкой для каждого текущего момента цикла выражается уравнением мощности на ВК:

NK(t) = NMH3(t) • Лмех + NAb(t) - Лаб-к, (4-28)

а для накопителя энергии (ТАБ) за время цикла работы, производимая ТАБ (затраченная ею) определяется суммарными энергетическими потерями в ней в процессе ее разряда—заряда. Рассчитывается зависимость величины требуемой мощности для каждого участка движения ЭМ по циклу:

  • • на ведущих колесах NK(t);
  • • приведенной к МНЭ с учетом КПД трансмиссии NMH3(t). Мощность сопротивления движению АТС на ведущих колесах:

NK(t) = Nf(t) + NB(t) + Nj(t), (4.29)

где Nf(t) — мощность, требуемая для преодоления силы сопротивления качению, Вт;

Ыв(1) — мощность, требуемая для преодоления силы воздушного сопротивления, Вт;

N/0 — мощность, требуемая для преодоления силы инерции при разгоне ЭМ, Вт.

Зависимость величины мощности сопротивления качению АТС N({1) (см. рис. 1.18) вычисляется по формуле

N(<0-0,^.^, (4.30)

3,6

где Са = Ма • 9,81 Н;

Г=*о-

а

' V2 ^

  • 1 + —
  • 20 000

У

Зависимость величины работы силы сопротивления качению АТС от времени движения:

(4.31)

А^)=|^г(0сИ Дж;

Ап.2Д)=/(|9Са Да1с11 = Са Д а -у-Дж (19—39 с); (4.32)

А0(1) = N0 • I + А(19с) Дж (19-39 с); (4.33)

р39+53

АГ4 5(0 = 1 **ж,5*Дж — от силы инерции (39—53 с). (4.34)

Мощность на колесах АТС, требуемая для определения силы воздушного сопротивления его движению:

Т • рв • Уа3 (1) Вт,

(4.35)

С

N - в »(0 — Л

где Сц — коэффициент обтекаемости АТС (для «ГАЗели» Св = 0,5); Р — лобовая площадь АТС, м2 (для «ГАЗели» Г = 3,25 м2); рв — плотность воздушной среды, г/м3в = 1,24);

Уа — скорость АТС, м/с.

На участках 1 и 2 разгона ЭМ с постоянным ускорением:

(4.36)

N81,2 (9 = у-’ РВ - а3-13, (0-19 с).

На участках 4 и 5 равнозамедленного движения:

N В4.5 <0 = Y • F ? р, • aj p„. (53 -1)3 (39-53 с). (4.37)

Зависимость величины энергии, требуемой для преодоления силы воздушного сопротивления движению АТС от времени (см. рис. 1.18):

AB(t) - Jq3 N в(t)dt Дж. (4.38)

На участках 1 и 2 равноускоренного движения:

AB(t)=J|',KB a3 t3dt = b!_C.,4 Дж(0—19с). (4.39)

На участке 3 равномерного движения:

Ав3 = Ав2 + Nb3 • (t3 - 19) Дж ( 19 с). (4.40)

На участках 4 и 5 равнозамедленного движения:

АВ4,5(t)=AB3+J39NB4 5(t)dt = Ав3в • а^- --а^ • (53-t4)+ AABmax. (4.41)

Зависимость величины мощности, требуемой для разгона АТС, от времени разгона (см. рис. 1.18):

N,(t) = Ма • а • Va(t) • 6j Вт, (4.42)

где ?j — коэффициент инерции вращающихся масс, для ЭМ 6, « ~ 1,1/1,15.

На участках 1 и 2 равноускоренного движения:

Ni(t) = Ma • а ? Oj • t, Вт (0-19с). (4.43)

На участке 3 равномерного движения:

Nj3 = 0 Вт (19—39 с). (4.44)

На участках 4 и 5 равнозамедленного движения требуемая мощность торможения на колесах:

Nj4>5(t) = Ма • ат • crj • Va(t) Вт (39-53 с). (4.45)

Зависимость величины энергии разгона и рекуперативного торможения от времени движения (см. рис. 1.18):

(4.46)

Aj(t)=J0T Nj(t)dt Дж.

На участках цикла с равноускоренным и равнозамедленным движением:

(4.47)

На участке 3 цикла Va = const и АА|3 = 0 (19—39 с).

Известные схемы гибридных силовых установок с механическими накопителями энергии

Такие схемы осуществлены в новейших опытных образцах гибридных электромобилей фирм Mechanical Technology Inc. (США), EDO Energy (США) и известной Ливерморской национальной лаборатории (LLNL, США). Удельная энергия супермаховиков из кевлара и графита, достигающая сотен Втч/кг, снижает его необходимую массу до нескольких килограммов (при удельной энергии 200 Вт ч/кг, для накопления 2 кВт ч потребуется супермаховик массой всего 10 кг). Однако электромашина накопителя, необходимая здесь помимо тягового двигателя, и рассчитанная на максимальную мощность и поэтому весьма тяжелая, снижает эффективность данной схемы. К тому же она, как и тяговый двигатель, должна быть обратимой (и мотором, и генератором), что дополнительно усложняет привод.

Оригинальную схему гибридного силового агрегата с маховичным накопителем и электромеханическим приводом предложила, изготовила и испытала фирма BMW (Германия). Несомненным преимуществом данного технического решения является наличие только одной электромашины, что снижает массу и приближает его к автомобильным схемам (рис. 4.15). Тип маховика фирма BMW не уточняет, поэтому используемый накопитель условно назван просто «маховичным».

Источник тока 1 через преобразователи и систему управления 2 связан с обратимой электромашиной 3, рассчитанной на максимальную мощность электромобиля. Электромашина 3 через сложный дифференциальный механизм 4 с мультипликатором 5 связана с маховиком 6 накопителя и главной передачей 7. В результате масса источника тока У, например, топливного элемента, может быть выбрана исходя из удельной энергии, а не удельной мощности, что снижает ее для электромобиля и электробуса с пробегом, соответственно,

Схема гибридного силового агрегата с механическим накопителем и электромеханическим приводом фирмы BMW (Германия)

Рис. 4.15. Схема гибридного силового агрегата с механическим накопителем и электромеханическим приводом фирмы BMW (Германия):

/ — источник тока; 2 — система управления; 3 — обратимая электромашина; 4 — дифференциальный механизм; 5 — мультипликатор; 6 — маховичный накопитель; 7 — главная передача

400 и 600 км до 100... 150 и 700... 1000 кг. Это вполне приемлемо для данных транспортных средств.

Однако непременным недостатком всех схем с электроприводом остается наличие тяжелого и сложного обратимого электродвигателя. Это отражается на экономичности привода и его массе, включая систему преобразователей тока. Мощная электромашина неэкономична при работе на малых мощностях, характерных для разгона (зарядки) маховичного накопителя. Кроме того, в схеме, помимо главной передачи, присутствует сложный по конструкции и управлению дифференциальный механизм с мультипликатором и тремя системами фрикционного управления (муфтами или тормозами), что усложняет и удорожает привод.

Электробус. На рис. 4.16 представлена схема городского электробуса новой концепции. Эта схема предоставляет устройству большую гибкость, чем в изображенной на рис. 4.15 структурной схеме.

Здесь блок супермаховичного накопителя 10, снабженный своим редуктором 9, расположен независимо от остальных агрегатов и мягко подвешен на раме для уменьшения и без того небольших гироскопических усилий при горизонтальном расположении супермаховика. С помощью коробки отбора мощности 4 и карданных передач 7 этот блок может связываться с вариатором 5 как независимо, так и совме-

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Схема городского электробуса новой концепции

Рис. 4.16. Схема городского электробуса новой концепции:

1 — источник тока; 2 — электродвигатель; 3 — механизм реверса; 4 — коробка отбора мощности; 5 — планетарный дисковый вариатор; 6,7 — карданные передачи; 8 — главная передача; 9 — коническая зубчатая передача; 10 — супермаховичный

накопитель

стно с электродвигателем 2. Этот электродвигатель может быть соединен с вариатором 5 и независимо от супермаховика, и играть роль полноценного тягового двигателя, в основном, на стационарных режимах движения. Несмотря на то, что электродвигатель 2 в этом случае несколько увеличивается по мощности и массе, энергоемкость су-пермаховичного накопителя может быть существенно снижена.

Механические накопители энергии KERS. Сегодня часто говорят об установке на формульные болиды системы рекуперации кинетической энергии KERS (Kinetic Energy Recovery Systems). По сути, это аналог тех систем, которые уже достаточно давно использует фирма Toyota в своих дорожных гибридах, таких как Toyota Prius и Lexus Rh400. Но не все так просто. Ездовые каждодневные машины — это одно, а формульные болиды с их массой ограничений (прежде всего по весу и, как следствие, — аэродинамике) — это совсем другое.

Механическая KERS представляет собой маховик, накапливающий энергию вращения, которую можно затем использовать при разгоне на прямых участках трассы.

На рис. 4.17 представлен «маховик» KERS, созданный инженерами команды формулы-1 Williams для гоночных болидов.

Принцип работы механической системы заключается в разнице скорости вращения вала главной передачи и специального маховика, который, вращаясь со скоростью 64 тыс. оборотов в минуту, может запасать в себе достаточно много кинетической энергии. Этот маховик из стали и углеродного волокна, который вращается со скоростью 64 тыс. оборотов в минуту в вакуумной камере, подключается к транс-

«Маховик» KERS, созданный инженерами Williams

Рис. 4.17. «Маховик» KERS, созданный инженерами Williams

миссии через несколько зубчатых передач с фиксированным передаточным числом, сцепление и вариатор.

Система при массе в 24 кг обеспечивает передачу мощности в 60 кВт, или около 80 л.с., в обе стороны и может запасать до 600 кДж энергии с учетом потерь. Особая гордость создателей КЕЯ8 — это система герметизации вакуумной камеры. Вал смонтирован в ней при помощи специальной системы уплотнений. В определенный и нужный момент можно просто перевести эту систему из режима накопления в режим отдачи энергии, просто изменив передаточное отношение.

Система способна высвободить до 80 л.с. в течение 6 с. Такая схема не нова по своей сути, но имеет ряд преимуществ перед электронной: ее вес со всеми контролирующими элементами равен 24 кг, что как минимум в два раза легче, она более энергоемкая, чем электронная система, что позволяет накапливать больший крутящий момент, но она и гораздо более опасная.

Для ее работы необходимы сверхпрочный герметичный корпус и идеальная балансировка сталекарбонового маховика. Уже известны проблемы с безопасностью при ее разработке. Однако по пути именно механической системы пошли команды ХУіИіаггю, и подобную, но свою разработку ведет Реггагі.

Фирма Уоіуо также разрабатывает механическую КЕИ^. Устройство диаметром всего 20 см и весом 6 кг способно добавлять до 80 л.с. в момент разгона.

Очевидный недостаток такого механизма — утечка энергии. Даже при вращении маховика в вакууме от трения в подшипниках никуда не денешься, а потому со временем обороты неизбежно падают. Иными словами, механическая КЕЯ5 эффективна лишь при небольших задержках между торможениями и ускорениями.

Однако у нее и много достоинств. Например, компактность и автономность — такую КЕЯ8 можно без проблем применять на любой оси автомобиля, здесь не нужны мощные силовые кабели или связь с ДВС. В тестовых машинах с передним приводом она уставлена на задней оси и, соответственно, вращает задние колеса. Но главное преимущество — это простота и низкая стоимость. То есть то, чего так не хватает гибридам с электродвигателями, и то, что может обеспечить будущее механической КЕЯБ.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>