Автореферат (Метод определения энергоэффективного закона движения электробуса по городскому маршруту)

На правах рукописиУДК 629.33Косицын Борис БорисовичМЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ЗАКОНАДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОБУСА ПО ГОРОДСКОМУ МАРШРУТУСпециальность: 05.05.03 – Колесные и гусеничные машиныАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.

В современном мегаполисе значительную роль впассажирских перевозках играет наземный автомобильный транспорт. Приинтенсивном росте жилой застройки и, соответственно, населения происходитрасширение городских границ, увеличение транспортной сети и уплотнениеграфика движения маршрутного транспорта. В настоящее время широкоераспространение получает городской автомобильный электротранспорт –электробус, отличающийся от автобусов отсутствием двигателя внутреннегосгорания и, соответственно, отсутствием вредных выбросов.

А оттроллейбусов – отсутствием постоянного подсоединения к контактной сетилиний электропередач. Для такого вида электротранспорта из-за ограниченийемкости бортовых источников энергии особенно актуальна задача повышенияэнергоэффективности движения на городском маршруте, которыйпредполагает наличие остановок и ограничение времени движения междуними. Например, при снижении энергозатрат на движение станет возможным:• увеличение пассажировместимости путем рационального выборапараметров источника/накопителя энергии (количества батарей) на борту,следовательно, снижения снаряженной массы;• снижение стоимости за счет уменьшения количества батарей,требуемого для обеспечения необходимого запаса хода;• увеличение запаса хода при той же емкости элемента питания, то естьснижение простоев электробуса для необходимой зарядки батарей.Таким образом, разработка метода определения энергоэффективногозакона движения электробуса по заданному городскому маршрутупредставляется актуальной задачей.Цель и задачи.

Целью диссертационной работы является повышениеэнергоэффективности движения электробуса на городском маршруте путемреализации оптимального закона движения между остановками. Под закономдвижения между остановками понимается зависимость скорости электробусаот пройденного пути при следовании по маршруту, то есть фазовая траекторияв естественных координатах.Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:Разработан метод определения энергоэффективного закона движенияэлектробуса путем решения задачи оптимизации при ограничении на время впути и целевой функции минимизации энергозатрат;Разработана математическая модель движения электробуса помаршруту, пригодная для решения задачи оптимизации;Проведено экспериментальное исследование с целью анализаадекватности математической модели движения и преобразования энергииэлектробуса по городскому маршруту;Разработан закон движения электробуса между остановками с учетомособенностей эксплуатации;1Проведена оценка энергоэффективности электробуса в процесседвижения по маршруту М2 в г.

Москва при использовании оптимальногозакона управления.Научная новизна работы заключается:В разработке метода определения энергоэффективного законадвижения электробуса на городском маршруте с учетом особенностейэксплуатации, отличающегося использованием метода динамическогопрограммирования для решения задачи оптимизации применительно кобъекту городского автомобильного электротранспорта;В разработке математической модели движения электробуса кактвердого тела, приведенного к криволинейной координате, отличающейсяучетом повышения сопротивления движению в зависимости от кривизнытраектории;В разработке математической модели связи управляющего воздействияс тяговым/тормозным моментом на ведущем мосту электробуса,отличающейся единым представлением режимов работы электромашины дляслучая разгона, выбега и торможения электробуса.Обоснованность и достоверность научных положений, выводов ирезультатов доказана сравнением теоретических и экспериментальныхрезультатов исследования динамики и энергопотребления электробуса ибазируется на использовании апробированных методов имитационногоматематического моделирования и теории планирования эксперимента.Практическая значимость заключается в разработке программногообеспечения для проведения имитационного моделирования движенияэлектробуса и определения энергоэффективной фазовой траектории с учетом:ограничения на время движения, ограничений по скорости и ускорению впроцессе движения, экстренного вмешательства водителя в процесс движения.Реализация результатов работы.Результаты работы внедрены в ГНЦРФ ФГУП «НАМИ», в ОИЦ «Группы ГАЗ», в НИИ СМ МГТУ им.Н.Э.

Баумана, в ООО «СПМ», а также используются в учебном процессе приподготовке инженеров на кафедре «Колёсные машины» МГТУ им. Н.Э.Баумана.Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационнойработы заслушивались и обсуждались:На научно-технических семинарах кафедры колёсных машин МГТУим. Н.Э. Баумана (Москва, 2014-2017 гг.);НаIXмеждународнойнаучно-техническойконференции«Инновационные технологии в машиностроении: от проектирования кпроизводству конкурентоспособной продукции» (Волгоград, 2017 г.);На десятой Всероссийской конференции молодых ученых испециалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2017 г.);На международном автомобильном научном форуме «Интеллектуальныетранспортные системы» (МАНФ-2017) (Москва, 2017 г.).2Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 2 научные статьив журналах из перечня, рекомендованного ВАК РФ, общим объёмом 1,7 п.л.Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общихрезультатов и выводов, списка литературы. Работа изложена на 165 листахмашинного текста, содержит 50 рисунков, 8 таблиц. Список литературысодержит 91 наименование.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы исследования,заключающегося в разработке метода определения энергоэффективногозакона движения электробуса по городскому маршруту. Приведено краткоесодержание выполненных исследований, сформулирована цель работы иотражены основные положения, выносимые на защиту.В первой главе представлен обзор систем помощи принятия решенийводителю.

Рассмотрены основные этапы, из которых состоит процессдвижения электробуса между остановками:• разгон и/или поддержание скорости в случае необходимости;• выбег;• рекуперативное торможение;• торможение рабочей тормозной системой.Проанализирована последовательность преобразования энергии придвижении электробуса (Рис.

1).а)б)Рис. 1. Преобразование энергии при движении электробуса: а) – разрядкинакопителя (разгон); б) – зарядки накопителя (для рассматриваемыхслучаев торможения)Проведены обзор и анализ работ, посвященных методам поискаоптимального управления, а также анализ существующих математическихмоделей динамики колесных машины и основных систем электробуса,которые определяют преобразование энергии на борту.Представленная задача поиска оптимального управления наиболее полноизучена в области железнодорожного транспорта. Особенно известны работыученых Баранова Л.A., Головичер Я.М, Ерофеева Е.В., Максимова В.М.,3Моисеева A.A., Урдина В.И., Монахова О.И., Мугинштейна Л.A., СидоренкоВ.Г., Ябко И.А., Васильевой М.А., Петрова Ю.П., Костромина А.М.

и других.Исследование динамики движения колесных машин наиболее полноотражено в работах ученых Чудакова Е. А., Певзнера Я.М., Антонова Д.А.,Литвинова А. С., Фаробина Я. Е., Котиева Г. О., Дика А. Б., Смирнова Г. А.,Попова С. Д., Ларина В. В., Горелова В.А., Чернышева Н.В. и других, а такжев трудах научных школ: МГТУ им. Н.Э. Баумана, НГТУ им. Р.Е. Алексеева,МАДИ, МАМИ, ФГУП ГНЦ «НАМИ», Академии БТВ, 21 НИИИ МО РФ идругих.Проведенный анализ показал, что для разработки метода определенияэнергоэффективного закона движения электробуса по городскому маршрутуцелесообразно использовать классический дискретный метод динамическогопрограммирования Беллмана, который позволяет получить наиболее полную«картину» вариантов попадания электробуса из рассматриваемой точкифазового пространства в конечную.С целью повышения скоростивычислений в качестве уравнения динамики электробуса принято решениеиспользовать модель движения электробуса как твердого тела, приведенногок криволинейной координате.

Для обеспечения универсальностиразработанной программы в качестве модели электродвигателя целесообразноиспользовать связь частоты вращения вала ротора с крутящим моментомсогласно механической характеристике с учетом потерь энергии на всехучастках ее преобразования от батареи к электромашине в виде КПД. Дляобеспечения возможности последующего выбора оптимальной энергоемкостиэлемента питания для электробуса, работающего на конкретном маршруте,целесообразно полагать при расчетах емкость батареи бесконечной и непроводить моделирование ее зарядно/разрядной характеристики. Оцениватьэнергию, затрачиваемую на движение электробуса, предлагается какмеханическую на валу ротора с учетом КПД преобразования механической иэлектрической энергии и потерь в преобразователе.

Принято обоснованноерешение, что полученный при помощи разработанного метода закон движенияэлектробуса необходимо проанализировать при помощи модели плоскогодвижения, разработанной и верифицированной на кафедре СМ10 «Колесныемашины» МГТУ им. Н.Э. Баумана, с учетом взаимодействия колеса с опорнымоснованием. Эта модель наиболее полно описывает динамику движенияэлектробуса и позволит проанализировать полученный результат.Выполненные в первой главе исследования позволили сформулироватьзадачи работы, решению которых посвящены остальные главы диссертации.Во второй главе представлены две имитационные математические моделидвижения электробуса:• модель движения электробуса как твердого тела, приведенного ккриволинейной координате (используется как уравнение состоянияэлектробуса для нахождения функции Беллмана в каждой точке фазовойтраектории);4• модель плоского движения электробуса по твердой опорнойповерхности (используется для анализа результатов использованияоптимального энергоэффективного закона управления).При описании движения электробуса как твердого тела, приведенного ккриволинейной координате, были приняты основные допущения:• электробус движется по твердой недеформируемой опорнойповерхности без скольжения шин в пятне контакта (радиус качения колеса௞ ≈ радиусу качения колеса без скольжения ௞଴ ≈ динамическому радиусуколеса ௗ );• контакт колеса с опорной поверхностью является точечным;• углы увода малы (cosδ ≈ 1 ; sinδ ≈ δ ; tanδ ≈ δ);• углы наклона опорной поверхности малы ( ≈ 1;sin ≈ ).Расчетная схема движения электробуса как твердого тела, приведенногок криволинейной координате, представлена на Рис.