Автореферат (Методология повышения энергетической эффективности систем электрооборудования автотранспортных средств)

На правах рукописиЧЕРНОВ АЛЕКСАНДР ЕГОРОВИЧМЕТОДОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯАВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВСпециальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системыАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора технических наукМосква – 20172Работа выполнена на кафедре "Электротехнические комплексы автономных объектов и электрический транспорт"ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ»Научный консультант:Маслов Сергей Ильичдоктор технических наук, профессоркаф.

ЭКАО и ЭТ НИУ«МЭИ»Еременко Владимир Григорьевичдоктор технических наук, профессор каф. ЭКАО и ЭТ НИУ «МЭИ»Официальные оппоненты:Ерохов Виктор Ивановичдоктор технических наук, профессоркафедра «Экологическая безопасность технических систем»ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет»Козловский Владимир Николаевич,доктор технических наук, профессор, заведующий кафедройкафедры «Теоретическая и общая электротехника» ФГБОУ ВО«Самарский государственный технический университет»Сарач Евгений Борисовичдоктор технических наук, профессоркафедры «Многоцелевые гусеничные машины и мобильные роботы» ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э.

Баумана (национальный исследовательскийуниверситет)»Защита диссертации состоится «18» мая 2018 г. В 14-00 на заседании диссертационного советаД 212.157.02 при ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, корпус М, ауд. М-606.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ».Автореферат разослан ____________ 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.157.02 _________________________ к.т.н., доцент Цырук С.А.3Общая характеристика работыАктуальность проблемыРассматривая основные тенденции развития автотранспортных средств (АТС), в последние десятилетия, можно выделить несколько ключевых направлений связанных как с совершенствованием традиционных конструкций автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС),так и с созданием новых видов транспортных средств, таких как электромобили (ЭМБ), автомобили с комбинированными энергоустановками (АКЭУ), беспилотные автомобили (БА).В настоящее время, достижения научно-технического прогресса привели к активной интеграции в состав бортовой сети автомобиля сложных электротехнических и электронных комплексов и систем, направленных на повышение уровня безопасности, комфорта, функциональности, экологичности АТС.

При этом происходит значительный рост нагрузки на систему электроснабжения автомобиля.В то же время, в экспертной и научной среде, не утихают споры относительно будущегоавтомобилестроения. Часть экспертного сообщества считает, что будущее за интенсификациейразвития проектов автомобилей построенных на электротехнологиях (ЭМБ и АКЭУ), часть –небезосновательно считает о еще недостигнутом пределе развития традиционных АТС.

Обобщенный анализ российской практики эксплуатации и традиционных АТС и автомобилей наэлектротехнологиях, показывает, что все же, в настоящее время, наибольшие перспективы вплане совершенствования конструкции имеют именно традиционные автомобили с ДВС. Значительные территории, сложные климатические условия, не достаточная развитость инфраструктуры использования ЭМБ И АКЭУ, существенно ограничивают возможности их применения.Ведущими экспертами отрасли определено, что наибольший ресурс развития автомобилей наэлектротехнологиях заложен в крупных городах – миллионниках, коих в РФ не так много. Таким образом, становится понятно, что наиболее актуальные, комплексные отраслевые задачи,по-прежнему, связаны с обеспечением роста эксплуатационных характеристик современныхавтомобилей традиционной конструкции, в том числе через повышение топливной экономичности.С учетом особой важности автомобильной промышленности и автотранспортного комплекса в экономке России, их развитие необходимо рассматривать в контексте инновационнойполитики государства.

Разработка и реализация комплексных научно-технических решенийнаправленных на повышение эксплуатационной эффективности АТС напрямую связано с развитием цифровых интеллектуальных технологий управления, что укладывается в основные задачи Стратегии научно-технологического развития РФ, утвержденной 1 декабря 2016 года Указом Президента Российской Федерации № 642.Классическая система электроснабжения имеет следующие недостатки:- отсутствие учета влияния генератора на расход топлива (при выборе уровня настройкирегулятора напряжения);- несовершенство концепции управления системой электроснабжения, направленной наснижение расхода топлива;- отсутствие комплексного подхода к проектированию системы электроснабжения и учета взаимодействия с другими системами электрооборудования, влияющими на ее работу (системой пуска двигателя);- малоэффективные методики расчета потребления топлива на работу системы электроснабжения в эксплуатации и её испытаний;- полное отсутствие оборудования, измеряющего расход топлива, приходящегося на работу системы электроснабжения.4Расход топлива во многом определяется мощностью генераторной установки и аккумуляторнойбатареи в различных режимах движения автомобиля.

Экспериментальные исследования показывают, что увеличение максимального тока отдачи генераторной установки до 20А приводит кувеличению расхода топлива двигателем на 10% - 15%.Большинство существующих методик расчета систем электроснабжения используют усредненные значения возмущающих факторов (частоты вращения генератора, тока потребителей электрической энергии, напряжения в бортовой сети) при выборе характеристик генераторной установки и аккумуляторной батареи. При этом очевидно, что при эксплуатации автотранспортногосредства эти параметры изменяются в зависимости от режима движения.

Современные методики выбора основных параметров и характеристик системы электроснабжения не предусматривают моделирование ее взаимодействия с системой пуска силового агрегата автотранспортногосредства в эксплуатации из-за отсутствия системного подхода. Выбор генераторной установки иаккумуляторной батареи, а также концепции синтеза системы электроснабжения является проблемой, решаемой в работе.Вопросам энергетической эффективности систем электрооборудования автотранспортных средств посвящено значительное количество исследований отечественных и зарубежныхученых.

Вопросы топливной экономичности и снижения вредных выбросов рассмотрены в работах Бахмутова С.В., Эйдинова А.А., Шарипова В.М., Гурицкого О.И., Ютта В. Е., ГрафкинойМ.Н., Ерохова В.И., Нюнина Б.Н., Хуторского М.Д., Зволинского В.П, Говорущенко Н.Я., Сарача Е.Б. Развитию теории проектирования и исследования систем электроснабжения и пуска автомобилей посвящены работы Фесенко М.Н., Трещева А.И., Фрезинского М.Л., Купеева Ю.А.,Банникова С.П., Чижкова Ю.П., Галкина Ю.М., Петленко Б.И., Акимова С.В., Козловского В.Н.Вопросы повышения топливной экономичности электротехнических комплексов автомобилейпутем оптимизации и интеллектуализации работы электромеханических преобразователей ещенедостаточно проработаны. В настоящее время наблюдается дефицит научно обоснованныхтехнических решений, применяемых в устройствах управления, обеспечивающих экономноеуправление системой электроснабжения.

Анализ работ зарубежных авторов показывает, чтопроблемы, связанные с повышением эффективности работы электротехнических комплексовавтономных объектов также недостаточно проработаны. Они не учитывают работу генераторной установки при изменяющихся частотах вращения и мощности приемников электрическойэнергии.С учётом изложенного проблему повышения топливной экономичности автотранспортаза счет эффективного управления электротехническим комплексом следует считать актуальной.Цель работы и задачи исследованияЦелью диссертационной работы является повышение топливной экономичности АТС засчет разработки и реализации научно-технической методологии повышения энергетическойэффективности систем электрооборудования автотранспортных средств, с учетом совместногофункционирования основных элементов системы электроснабжения и оптимизации управлениягенераторной установкой.

Достижение поставленной цели обеспечивается на основе решениякомплекса взаимосвязанных научных и практических задач:- обзор принципов работы автомобильных электротехнических комплексов, обеспечивающих повышение топливной экономичности;- анализ существующих методов расчета автомобильных систем электроснабжения;- разработка методики моделирования работы системы электроснабжения для синтезаспособов управления, обеспечивающих снижение расхода топлива;5- создание и внедрение концепции управления напряжением генераторной установки автотранспортных средств, обеспечивающих снижение расхода топлива;- разработка методики для экспериментальных исследований систем электрооборудования в эксплуатации, обеспечивающей возможность оценки качества работы по экономии топлива и функциональным показателям.Объект исследования – системы электроснабжения и пуска двигателя автотранспортных средств (генератор, управляющее устройство, стартерный электродвигатель, аккумуляторная батарея).Методы исследований.

Для решения поставленных в диссертационной работе научныхзадач применялись методы математического, имитационного и физического моделирования,методы структурного анализа, теории вероятностей и математической статистики.Достоверность научных положений и выводов подтверждается применением апробированных методов компьютерного моделирования электротехнических систем, результатамилабораторных и эксплуатационных испытаний. Новизна технических решений подтвержденапатентом.Основные положения, выносимые на защиту:1.

Концепция автоматического управления напряжением генераторной установки, снижающая расход топлива за счет выбора уровня регулируемого напряжения в зависимости отстепени заряженности аккумуляторной батареи.2. Методика выбора уровня напряжения генераторной установки различных типов автотранспортных средств, использующая зависимость величины математического ожиданиянапряжения в бортовой сети от уровня регулируемого напряжения, тока генераторной установки, тока нагрузки и частоты вращения генератора;3.

Методика выбора передаточного отношения двигатель-генератор для обеспечения стабильного уровня напряжения в бортовой сети.4. Математическая модель для определения влияния системы электроснабжения на расход топлива автотранспортных средств.5. Математическая модель систем электроснабжения и пуска традиционных и гибридныхавтотранспортных средств с адаптивными алгоритмами управления напряжением генераторнойустановки в эксплуатации, обеспечивающая учет случайного характера изменения эксплуатационных факторов (частоты вращения, электрической нагрузки, температуры и режима движения).6.