Диссертация (Методология повышения энергетической эффективности систем электрооборудования автотранспортных средств)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования «Национальный исследовательский университет«МЭИ»На правах рукописиЧернов Александр ЕгоровичМЕТОДОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯАВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ05.09.03 – Электротехнические комплексы и системыДиссертации на соискание ученой степенидоктора технических наукНаучные консультанты: доктор технических наук, профессорМаслов С.И.доктор технических наук, профессорЕременко В.Г.Москва 20172ОглавлениеВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..9ГЛАВА 1.ОБЗОР УСТРОЙСТВ, УЛУЧШАЮЩИХ ТОПЛИВНУЮЭКОНОМИЧНОСТЬ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ…........................321.1. Основные особенности электромобилей и гибридных АТС…………......341.2.Основные характеристики аккумуляторных батарей электромобилей игибридных АТС…………………………………………………………...431.3.Основные особенности системы стоп – старт…………………………..481.4.

Обзор принципов управления напряжением генераторных установок,направленных на снижение расхода топлива и повышение энергетическихпоказателей…………….………………………………………………………...541.4.1. Общие принципы построения интеллектуальных систем управлениянапряжением генераторных установок автотранспортных средств……...…..541.4.2 Классификация и особенности интеллектуальных систем управлениягенераторных установок автотранспортных средств…………...……………..571.4.2.1 Классификация интеллектуальных систем управления СЭС……......571.4.2.2 Принципы управления, обеспечивающие снижение расхода топливадвигателем на привод генераторной установки ………………….…………...6431.4.2.3 Принципы управления, обеспечивающие заданное зарядноесостояние аккумуляторной батареи…………………………………………….661.4.2.4 Принципы управления, обеспечивающие заданный уровень качестваи стабильности напряжения в бортовой сети ………………….……………...701.5.Выводы по главе 1………………………………………..……………….74ГЛАВА 2.ОБЗОР МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА СИСТЕМЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ПУСКА В ЭКСПЛУАТАЦИИ……….…………762.1.

Расчет баланса электроэнергии…………………………………...………..772.2.Выборпределоврегулированиянапряжениягенераторнойустановки…………………………………………………………………………832.3. Обзор современных методов расчета выходных характеристик системыпуска,обеспечивающихнадежныйпускпервичногодвигателяавтотранспортного средства………………………………………….…………882.4. Обзор методик расчета и экспериментального определения расходатоплива автотранспортных средств в эксплуатации…………………………..952.4.1. Методики расчета расхода топлива автотранспортных средств вэксплуатации……………………………………………………………………..952.4.2. Обзор методов экспериментального определения расхода топливаавтотранспортных средств в эксплуатации…………………………………..10042.4.3. Измерительная аппаратура для измерения расхода топлива и еехарактеристика…………………………………………….…………………...1032.5.

Расчет электромашинных преобразователей для автомобилей с системойстоп-старт,обеспечивающихснижениерасходатопливанаприводгенератора……………………………………………………………………….1052.6.Выводы и заключение по второй главе………………………...………117ГЛАВА 3РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯНИЯ, УЧИТЫВАЮЩЕЙ РЕАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯЭКСПЛУАТАЦИИ………..................................................................................1183.1. Описание алгоритма эксплуатации систем……………………………....1273.2.

Обоснование выбора шага дискретизации времени для каждого изрежимов эксплуатации…………………………………………………………1383.3. Принципиальная схема системы электроснабжения автомобиля дляисследования расхода топлива на привод генераторной установки………..1413.4. Принципиальная схема системы электроснабжения автомобиля дляисследования энергетических процессов……………………………………..1433.5. Разработка схемы замещения и математической модели аккумуляторнойбатареи…………………………………………………………………………..14853.6.

Разработка схемы замещения и математической модели генераторнойустановки……………………………………………………………………….1533.7. Математическая модель системы электростартерного пуска для расчетаэквивалентного тока приемников электрической энергии в режиме пуска ичастоты прокрутки двигателя для определения минимально допустимойстепени заряженности аккумуляторной батареи……………………………..1583.8. Синтез принципа управления напряжением для снижения расходатоплива ДВС на привод генераторной установки……………………………1663.9. Основные пути снижения расхода топлива на привод генератора….....1733.10.Заключение и выводы из третьей главы…………………………………174ГЛАВА 4.ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИРАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙСИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОТРАНСПОРТНЫХСРЕДСТВ…………………………………………………………………………………....1764.1. Назначение и структура программно-измерительного комплекса…..…1774.2.Структураипринципработыпрограммно-измерительногокомплекса……………………………………………………………………….1784.3.

Перечень параметров, измеряемых комплексом………………………..1814.4. Проверка адекватности математической модели…………………….…18264.5. Основные принципы по интеграции системы электроснабжения вмультиплекснуюсистемуобменаинформациейавтотранспортногосредства…………………………………………………………………………1854.6. Заключение и выводы из четвертой главы………………………………188ГЛАВА 5МЕТОДИКА СИНТЕЗА ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПОВЫШЕНИЕТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ АВТОТРАНСПОРТНЫХСРЕДСТВ………………………………………………………………………1905.1. Основные показатели энергетической эффективности ….…………….1925.2.

Общие положения по интеграции СЭС в мультиплексную системуобмена информацией автотранспортного средства……………………….…1995.3.Теоретическийанализосновныхтиповалгоритмовуправленияавтомобильной системой электроснабжения………………………………...2055.3.1. Выбор критерия оптимизации и независимых переменных припроведении эксперимента……………………………………………………...2105.3.2. Уравнение регрессии…………………………………………………….2115.3.3. Анализ влияния частоты вращения генератора на оборотах холостогохода двигателя автомобиля и уровня регулируемого напряжения на величинуматематического ожидания напряжения на приемниках электрическойэнергии…………………………………………………………………………..21275.4.

Заключения и выводы пятой главы…………...…………………………215ГЛАВА 6РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ,ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПОВЫШЕНИЕ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИАВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ………………………………………….2186.1. Выбор независимых переменных, ограничений и целевой функции….2186.2. Разработка системы электроснабжения с частично оптимизированнымалгоритмом работы……………………………………………………………..2226.3.Результатыиспытанийсистемыэлектроснабжениясчастичнооптимизированным алгоритмом………………………………………………2236.4.Методиканепрерывногоопределениястепенизаряженностиаккумуляторной батарей во время движения АТС…………………………..2276.5.Конструктивныеифункциональныеособенностирегуляторанапряжения, работающего по разработанному алгоритму………...………..2436.6.

Перспективы развития систем электроснабжения автотранспортныхсредств,обеспечивающихснижениерасходатопливанаприводгенератора……………………………………………………………………….2556.7. Заключения и выводы из шестой главы………………………………….261ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………..………….…2628СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………….265ПРИЛОЖЕНИЕ. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ ……………………………………...2849ВВЕДЕНИЕАктуальность проблемыРассматривая основные тенденции развития автотранспортных средств(АТС), в последние десятилетия, можно выделить несколько ключевыхнаправленийсвязанныхкакссовершенствованиемтрадиционныхконструкций автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), так и ссозданием новых видов транспортных средств, таких как электромобили(ЭМБ), автомобили с комбинированными энергоустановками (АКЭУ),беспилотные автомобили (БА).В настоящее время, достижения научно-технического прогрессапривели к активной интеграции в состав бортовой сети автомобиля сложныхэлектротехнических и электронных комплексов и систем, направленных наповышениеуровнябезопасности,комфорта,функциональности,экологичности АТС.

При этом происходит значительный рост нагрузки насистему электроснабжения автомобиля.В то же время, в экспертной и научной среде, не утихают спорыотносительно будущего автомобилестроения. Часть экспертного сообществасчитает, что будущее за интенсификацией развития проектов автомобилейпостроенныхнанебезосновательноэлектротехнологияхсчитаетоеще(ЭМБинедостигнутомАКЭУ),пределечасть–развитиятрадиционных АТС. Обобщенный анализ российской практики эксплуатациии традиционных АТС и автомобилей на электротехнологиях, показывает, чтовсеже,внастоящеевремя,наибольшиеперспективывпланесовершенствования конструкции имеют именно традиционные автомобили сДВС. Значительные территории, сложные климатические условия, недостаточная развитость инфраструктуры использования ЭМБ И АКЭУ,существенноэкспертамиограничиваютотрасливозможностиопределено,чтоихприменения.наибольшийресурсВедущимиразвитияавтомобилей на электротехнологиях заложен в крупных городах –миллионниках, коих в РФ не так много.

Таким образом, становится понятно,10что наиболее актуальные, комплексные отраслевые задачи, по-прежнему,связанысобеспечениемростаэксплуатационныххарактеристиксовременных автомобилей традиционной конструкции, в том числе черезповышение топливной экономичности.С учетом особой важности автомобильной промышленности иавтотранспортного комплекса в экономке России, их развитие необходиморассматривать в контексте инновационной политики государства. Разработкаи реализация комплексных научно-технических решений направленных наповышение эксплуатационной эффективности АТС напрямую связано сразвитиемцифровыхинтеллектуальныхтехнологийуправления,чтоукладывается в основные задачи Стратегии научно-технологическогоразвития РФ, утвержденной 1 декабря 2016 года Указом ПрезидентаРоссийской Федерации № 642.Классическая система электроснабжения имеет следующие недостатки:- отсутствие учета влияния генератора на расход топлива (при выбореуровня настройки регулятора напряжения);- несовершенство концепции управления системой электроснабжения,направленной на снижение расхода топлива;- малоэффективные методики расчета потребления топлива на работусистемы электроснабжения в эксплуатации и её испытаний;- отсутствие комплексного подхода к проектированию системыэлектроснабженияиучетавзаимодействиясдругимисистемамиэлектрооборудования, влияющими на ее работу (системой пуска двигателя);- полное отсутствие оборудования, измеряющего расход топлива,приходящегося на работу системы электроснабжения.Расход топлива во многом определяется мощностью генераторнойустановки и аккумуляторной батареи в различных режимах движенияавтомобиля.