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

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана(национальный исследовательский институт)На правах рукописиКосицын Борис БорисовичМЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ЗАКОНАДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОБУСА ПО ГОРОДСКОМУ МАРШРУТУСпециальность 05.05.03 – Колёсные и гусеничные машиныДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительд.т.н., профессорКотиев Г.О.Москва – 20172СодержаниеСтр.Введение ..................................................................................................................... 5Глава 1.

Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования ............ 11Программа развития автономного электротранспорта ZeEUS ........... 11Особенности эксплуатации электробусов ............................................. 13Системы помощи принятия решений водителю................................... 14Обзор и анализ методов определения оптимального управления ...... 161.4.1. Принцип максимума Понтрягина........................................................ 241.4.2. Метод динамического программирования Беллмана........................ 27Анализ математических моделей основных узлов и системэлектробуса .............................................................................................. 301.5.1.

Математическое моделирование динамики колесной машины ....... 311.5.2. Математические модели электропривода .......................................... 381.5.3. Математические модели накопителей энергии ................................. 42Постановка задач исследования ............................................................. 44Выводы по первой главе..........................................................................

45Глава 2. Математическое моделирование движения электробуса ..................... 46Математическая модель движения электробуса как твердого тела,приведенного к криволинейной координате ........................................ 46Математическая модель плоского движения электробуса .................. 61Связькоэффициентапараметрамимоделисопротивлениявзаимодействиябоковомууводуколесаопорнымссоснованием Дика – Рождественского ...................................................

743Стр.Сравнениематематическоймоделиплоскогодвиженияэлектробуса и модели движения, приведенного к криволинейнойкоординате ............................................................................................... 76Математическое описание управляющих воздействий .......................

79Выводы по второй главе .......................................................................... 85Глава 3. Метод определения энергоэффективного закона движенияэлектробуса .............................................................................................................. 86Определение энергоэффективного закона движения электробуса сучетом ограничения на время прохождения маршрута ...................... 96Определение энергоэффективного закона движения электробуса сучетом ограничений на скорость и ускорение ................................... 104Выводы по третьей главе ...................................................................... 109Глава 4. Экспериментальные исследования ....................................................... 110Объект испытаний и аппаратурно-измерительный комплекс...........

110Определение параметров модели движения, приведенного ккриволинейной координате, по экспериментальным данным ......... 118Верификация модели динамики и преобразования энергииэлектробуса по экспериментальным данным .................................... 124Сравнительные испытания движения электробуса при движении соптимальнымзакономэнергоэффективногоуправлениясрезультатами вождения водителя-испытателя ..................................

128Выводы по четвертой главе .................................................................. 132Глава 5. Определение энергоэффективного закона движения электробуса сучетом особенностей эксплуатации .................................................................... 1334Стр.Определение энергоэффективного закона движения электробуса натиповых участках маршрута ................................................................ 133Определение энергоэффективного закона движения электробусадля различных вариантов загруженности .......................................... 140Определение энергоэффективного закона движения электробуса сучетом вмешательства водителя ......................................................... 142Оценка энергоэффективности электробуса в процессе движения помаршруту М2 в г.

Москва при использовании оптимального законауправления ............................................................................................. 144Выводы по пятой главе.......................................................................... 152Общие выводы и заключение по работе ............................................................. 154Список литературы ............................................................................................... 1575ВведениеВ современном мегаполисе значительную роль в пассажирскихперевозках играет наземный автомобильный транспорт.

При интенсивном ростежилой застройки и, соответственно, населения происходит расширениегородских границ, увеличение транспортной сети и уплотнение графикадвижениямаршрутноготранспорта.Внастоящеевремяширокоераспространение получает городской автомобильный электротранспорт –электробус, отличающийся от автобусов отсутствием двигателя внутреннегосгорания и, соответственно, отсутствием вредных выбросов. А от троллейбусов– отсутствием постоянного подсоединения к контактной сети линийэлектропередач.Типоваяструктурнаясхемаэлектрооборудованияэлектробусапредставлена на Рис.

В.1. Основные компоненты, представленные на схеме:Тяговый электродвигатель;Тяговый инвертор;Главный контроллер;Органы управления;Блоксиловойкоммутации,автоматическийвыключательдистанционного управления (АВДУ);Накопитель энергии (аккумуляторная батарея);Зарядное устройство или зарядный порт;Устройство контроля заряда и разряда аккумуляторной батареи (BMS– Battery management system);Источник питания переменного напряжения;Блок контроля изоляции высоковольтной цепи;Преобразователь собственных нужд (24В);6ШинасвязиCAN,мультиплекснаясистемауправленияпотребителями.Рис.

В.1. Типовая структурная схема электрооборудования электробусаИсточником питания электробуса является аккумуляторная батарея. Всилу ограниченности емкости батареи для функционирования электробусанеобходимо регулярно проводить ее подзарядку. Таким образом, дляэффективного движения по маршруту необходимо минимизировать количествовремени, затрачиваемое на подзарядку батарей. Так как процесс подзарядки, какправило, связан с возвращением электробуса в парк, то для данного видаэлектротранспорта особенно актуальна задача повышения энергоэффективностидвижения на городском маршруте, который предполагает наличие остановок иограничение времени движения между ними. Например, при сниженииэнергозатрат на движение станет возможным:• увеличение пассажировместимости путем рационального выборапараметров источника/накопителя энергии (количества батарей) на борту,следовательно, снижения снаряженной массы;7• 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.Одним из путей повышения энергоэффективности является организациядвижения электробуса между остановками по заранее определенному закону,позволяющему минимизировать затраты энергии.Таким образом, разработка метода определения энергоэффективногозаконадвиженияэлектробусапозаданномугородскомумаршрутупредставляется актуальной задачей.Цельюдиссертационнойработыявляетсяповышениеэнергоэффективности движения электробуса на городском маршруте путемреализации оптимального закона движения между остановками.

Под закономдвижения между остановками понимается зависимость скорости электробуса отпройденного пути при следовании по маршруту, то есть фазовая траектория вестественных координатах.Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующиезадачи: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;Проведеноэкспериментальноеисследованиесцельюанализаадекватности математической модели движения и преобразования энергииэлектробуса по городскому маршруту;Разработан закон движения электробуса между остановками с учетомособенностей эксплуатации;8Проведена оценка энергоэффективности электробуса в процесседвижения по маршруту М2 в г.

Москва при использовании оптимального законауправления.Научная новизна работы заключается:В разработке метода определения энергоэффективного законадвижения электробуса на городском маршруте с учетом особенностейэксплуатации,отличающегосяиспользованиемметодадинамическогопрограммирования для решения задачи оптимизации применительно к объектугородского 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, отличающейсяединым представлением режимов работы электромашины для случая разгона,выбега и торможения электробуса.Практическая значимость заключается в разработке программногообеспечениядляпроведенияимитационногомоделированиядвиженияэлектробуса и определения энергоэффективной фазовой траектории с учетом:ограничения на время движения, ограничений по скорости и ускорению впроцессе движения, экстренного вмешательства водителя в процесс движения.Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов по работе.В главе 1 обоснована актуальность работы.