Диссертация (Метод определения энергоэффективного закона движения электробуса по городскому маршруту), страница 2

Приведен обзор системпомощи принятия решений водителю. Представлен обзор и анализ работ,посвященных методам поиска оптимального управления. Представлен анализпоследовательности преобразования энергии при движении электробуса.Проведен анализ существующих математических моделей динамики колесныхмашин и основных систем электробуса, которые определяют преобразование9энергии на борту. Сформулированы задачи работы, решению которыхпосвящены остальные главы диссертации.В главе 2 представлены две имитационные математические моделидвижения электробуса:• модель движения электробуса как твердого тела, приведенного ккриволинейной координате, используется в качестве уравнения состоянияэлектробуса для нахождения значения функции Беллмана в каждой точкефазовой траектории;• модельповерхностиплоскогодлядвиженияанализаэлектробусарезультатовпотвердойиспользованияопорнойоптимальногоэнергоэффективного закона управления.Проведен анализ рассмотренных моделей движения и представленысравнительные расчеты для характерных режимов движения электробуса, порезультатам которых сделан вывод о применимости моделей.

Предложенаматематическая модель системы управления электробуса, связывающаяуправляющее воздействие с тяговым/тормозным моментом электродвигателя итормозным моментом, создаваемым рабочей тормозной системой.В главе 3 приводится модель преобразования энергии при движенииэлектробуса.Представленаразработкаалгоритмовпоисказаконовэнергоэффективного управления с учетом ограничения на время движения, атакже ограничений по скорости и ускорению в процессе движения.АнализируетсяучетвлиянияКПДэлектромашиныотнагрузкинаэнергоэффективный закон движения.Вглавеопределению4приводитсяпараметровметодикамоделиэксперимента,движенияпосвященногоэлектробуса.Проведенопланирование эксперимента с использованием методов математическойстатистики.

Представлены анализ результатов эксперимента, позволяющеговерифицировать математическую модель динамики и преобразования энергииэлектробуса,атакжеанализсравнительныхиспытанийэлектробуса,10движущегося по оптимальному закону энергоэффективного управления, срезультатами вождения водителя-испытателя.Глава5посвященаразработкеалгоритмовпоисказаконовэнергоэффективного управления на типовых участках маршрута, а также сучетом различных вариантов загруженности электробуса и экстренноговмешательства водителя в процесс движения. Представлен результат расчетаэнергоэффективного закона движения электробуса для маршрута М2 вг. Москва, а также проведено сравнение расчетных затрат энергии сполученными при движении электробуса.На защиту выносятся положения научной новизны, а также результаты ивыводы по работе.Работа проведена при финансовой поддержке Министерства образованияи науки Российской Федерации в рамках договора № ДН01/0001/216/15 междуООО «ЛиАЗ» и МГТУ им.

Н.Э. Баумана.11Глава 1. Анализ состояния вопроса и постановка задач исследованияВ настоящее время электробусы получают все большее распространениеблагодаря усовершенствованию удельных тяговых характеристик электромашини бортовых источников электроэнергии.

В мире существуют различныепрограммы по внедрению электробусов в сеть городского транспорта. Одна изнаиболее известных программ – ZeEUS [1].Программа развития автономного электротранспорта ZeEUSПроект ZeEUS занимается тестированием решений электрификации всистеме городского автобусного транспорта, внедрением их на рынокэлектрических автобусов в Европе. ZeEUS (англ.

ZeroEmission Urban Bus System– рус. Городская автобусная сеть без вредных выбросов) стремится расширитьзону использования полностью электрических автобусов в транспортной сетиЕвросоюза, сотрудничает с Европейской системой проектов UITP (фр. L’Unioninternationale des transports publics – рус. Международный союз общественноготранспорта).Проект вписывается в концепцию работы Европейской Комиссии посозданию конкурентной и устойчивой транспортной системы путем внедренияальтернативных видов топлива для уменьшения выбросов и улучшения качествавоздуха, для снижения уровня шума в городских районах.

Для достижения целейZeEUS испытывает различные инновационные технологии электротранспорта изарядной инфраструктуры на десяти демонстрационных участках в девятиевропейских странах при различных условиях эксплуатации для проверкиэкономической, экологической и социальной целесообразности использования.Города и страны, участвующие в программе ZeEUS, изображены на Рис. 1.1.12Рис. 1.1. Города-участники проекта ZeEUSПроект ZeEUS объединяет все заинтересованные стороны, принимающиерешения для ускорения и облегчения процесса внедрения электротранспорта вгородские автобусные сети. Сорок партнеров, которые объединены в данномпроекте, являются представителями: операторов общественного транспорта,производителейавтомобилей,поставщиковэнергии,университетовиисследовательских центров, инжиниринговых компаний, консультантов идругих организаций.Кроме того, проект ZeEUS призван стать ведущим проектом Европы повнедрению электротранспорта, который также будет контролировать развитиеэлектробусов по всему миру.

ZeEUS проводит испытания электробусов в такихгородах Европы, как: Бонн, Мюнстер, Ренстад (Германия), Пльзень (Чехия),Варшава (Польша), Стокгольм (Швеция), Барселона (Испания), Лондон (Англия)- и работает со следующими партнёрами: Alexander Dennis, Astra, D’appolonia,Endesa, Enide, Fraunhofer IVI, Plzeñskà Teplàrenskà, SSE, Skoda, Solaris, SWB,SPT, Transport for London, Volvo, UTP, VDL и другие.Таким образом, можно сделать вывод, что для улучшения экологическогосостояниякрупныхгородовРоссийскойФедерациииподдержания13конкурентоспособности транспортной сети необходимо организовать проект,аналогичный ZeEUS.

Конкурентные преимущества могут быть получены путемвнедрения электротранспорта в крупных городах, таких как: Москва, СанктПетербург, Екатеринбург, Нижний Новгород, Казань и другие.Особенности эксплуатации электробусовЭксплуатация электробусов существенно отличается от обычныхавтобусов с ДВС. Так, наличие у электробуса накопителя энергии предполагает,что парк должен быть оснащен зарядными станциями для подзарядки батарейэлектробусов в ночное время или во время отдыха водителей, что требуетобеспечить возможность потребления большого количества энергии отэлектростанции (Рис.

1.2).Рис. 1.2. Электробусный парк в г. Нанкин (КНР)При этом стратегия зарядки электробусов может быть различна.Накопитель энергии электробуса может быть рассчитан на работу безподзарядки, например:• полный рабочий день;14• одну смену;• один полный цикл маршрута;• между двумя соседними остановками.Соответственно, чем дольше электробусу необходимо двигаться безподзарядки, тем больший запас хода должен обеспечивать накопитель энергии.С увеличением запаса хода возрастают габаритные размеры и масса элементовпитания и, соответственно, уменьшается пассажировместимость электробуса.При этом, в случае малого запаса хода, город, в котором эксплуатируетсяэлектробус, должен быть оснащен необходимой инфраструктурой, например,зарядными станциями на промежуточных или конечных остановках.Кроме того, при движении по маршруту водителю необходимопринимать меры для экономии энергии батарей.

Например, водитель приторможении должен использовать только рекуперативный тормоз, позволяющийзапасать энергию при замедлении электробуса, а рабочей тормозной системойпользоваться только в случае полной остановки или для предотвращениядорожно-транспортного происшествия.На данный момент эксплуатация электробусов существенно дороже, чемобслуживаниеобычныхсовершенствованиемдизельныхэлементовавтобусов.питания,Темнеэлектродвигателейменее,иссистемыэнергосбережения при движении электробусы будут вытеснять обычныеавтобусы из городской транспортной сети благодаря низкой стоимости владенияи высокому уровню экологичности. Это доказывает актуальность даннойдиссертационной работы.Системы помощи принятия решений водителюДля снижения энергозатрат необходимо, чтобы электробус всегдаследовал оптимальной энергоэффективной фазовой траектории.

На данном этапеполная автоматизация движения не представляется возможной из-за постоянно15изменяющейся дорожной ситуации и наличия других участников движения. Дляповышенияэнергоэффективностинеобходиморазработатьсистему,управляющую скоростью электробуса на маршруте, согласно рассчитанномузаранее оптимальному закону движения. Водитель же при этом долженнаправлять автобус по траектории маршрута и вмешиваться в управлениескоростью в экстренных ситуациях для предотвращения дорожно-транспортногопроисшествия или остановки на светофоре. Аналогичные системы применяютсяна железнодорожном транспорте так же, как и системы автоведения, с темотличием, что система не управляет скоростью поезда, а выдает рекомендациимашинисту о смене режима движения.Системы поддержки машиниста (DAS – driving advice system) изначальнополучили распространение в Австралии для метрополитена г.

Аделаида (система«metromiser») и в Новом Южном Уэльсе для управления движением грузовыхпоездов(система«freightmiser»).Алгоритмыработыэтойсистемыосновываются на разработках ученых Университета Южной Австралии(University of South Australia, UniSA [2, 3]) в области энергооптимальногоуправления. Благодаря использованию системы «freightmiser» удалось снизитьрасход топлива грузовых поездов на 9-12 %.Компанией Simens и Берлинским Техническим Университетом быларазработана система для метрополитенов, именуемая: «Siemens metromiser».Система автоматически обновляет данные о состоянии поезда в режиме выбегаи торможения на каждом перегоне.