Диссертация (Методология повышения энергетической эффективности систем электрооборудования автотранспортных средств), страница 3

в Московском государственномтехническом университете «МАМИ»;-на85международнойнаучно-техническойконференцииААИ«Будущее автомобилестроения в России», проходящей 24 апреля 2014 года вуниверситете машиностроения;-на IX международном салоне «КОМПЛЕКСНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ2016», проходившем на ВДНХ 10 - 15 мая 2016 года;-на ученом совете ФГУП НИИ автомобильной электроники;-на кафедре "Электротехнические комплексы автономных объектов иэлектрический транспорт" ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ»;-в научно-технических отделах Ржевского завода автотракторногоэлектрооборудования(ОАО“Элтра”),Калужскогозаводаавтоэлектрооборудования, ЗАО “Коминвест”, ОАО "Автосвет" (г. Киржач), ОАО“Машиностроительный завод “Маяк” и на Московском машиностроительномзаводе “Вперед”.Публикации.отражено в 39Основноесодержаниедиссертационнойработыработах, 14 из которых опубликованы в изданиях,рекомендованных ВАК РФ,одном патенте на изобретение, и 4 трудахконференций.Личный вклад автора состоит в разработке концепции, повышениятопливной экономичности автотранспортных средств за счет повышенияэффективности управления уровнем напряжения генератора;- в разработке комплексного подхода к проектированию системэлектроснабжения и пуска;- в создании методики имитационного компьютерного моделированияработы системы электроснабжения.Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шестиглав, заключения,списка использованных источников и приложения,содержащего акты внедрения. Общий объем 290 стр. основного текста,17включая 59 рисунков и 6 таблицы. Список использованных источниковсодержит 190 наименований.Основное содержание работыВо введении обоснована актуальность решаемой в диссертациипроблемы, сформулированы цель и связанные с ее достижением научные итехнические задачи.

Сформулирована научная новизна работы и основныеположения диссертации, выносимые на защиту. Приведены сведения опрактической реализации полученных результатов.В первой главе проведен теоретический анализ энергетическихустановок автомобиля и алгоритмов работы систем электроснабжения,направленных на повышение топливной экономичности.В настоящее время для снижения расхода топлива используютсяследующие технические решения:-применение электропривода (электромобили);-применениегибридногопривода(гибридныеавтотранспортныесредства);-оптимизация работы систем электрооборудования, оказывающихвлияние на расход топлива двигателя внутреннего сгорания.Наряду с преимуществами электромобилей и гибридных автомобилей,наиболее важными из которых являются топливная экономичность иснижение эмиссии вредных выбросов, они имеют и существенныенедостатки, а именно:- малый запас хода без участия первичного двигателя;- проблемы с аккумуляторными батареями, возникающие в процессеэксплуатации и утилизации(большие токисаморазряда, зависимостьнапряжения от температуры, небольшой срок службы);- сложная конструкция гибридных автомобилей (количество узлов иагрегатов больше, чем в традиционных автомобилях);- большая масса по сравнению с автотранспортными средствамитрадиционной конструкции;18- высокая стоимость и сложность ремонта.В противовес мнению о высокой экономичности электромобилей,анализпоказывает,чтодоляэнергиитоплива,используемогонаэлектростанциях для движения автомобиля, не превышает 15%.

Это связано спотерейэнергиивлинияхэлектропередачи,трансформаторах,преобразователях, зарядных устройствах, в аккумуляторных батареях,электрических машинах. Для сравнения двигатель внутреннего сгорания воптимальном режиме преобразует в механическую энергию около 40%химической энергии топлива. По нашему мнению, которое основано нарезультатах многолетних исследований,электромобили и гибридныеавтотранспортные средства в течение будущих 20–30 лет не найдутширокого распространения. Это подтверждают и объемы производстваэлектромобилей,например, в 2017 году суммарный объем производстваавтомобилей с электрическим и гибридным приводом от общего объемасоставляет: в Японии 16%, в США 10%, в странах ЕЭС 8%.Расход топлива на привод генераторной установки на современныхавтомобилях с бензиновыми двигателями в городе достигает 20% от общегорасхода топлива.

Это значение рассчитывается из следующих показателей:- удельный расход топлива двигателем внутреннего сгорания (0,3л/квтч – 0,5 л/квтч) по известным из теории конструкциям и практикиэксплуатации автомобиля;- КПД генераторной установки, находящегося в диапазоне от 0,4 до 0,5;- мощность приемников электрической энергии в режиме город – зима– ночь (0,4 кВт – 0,6 кВт);- средняя скорость движения автомобиля, составляющая менее 22 км/ч(по данным Департамента автомобильного транспорта г.

Москвы);-расходтопливалегковымавтомобилемсреднегокласса,составляющий 10л –12л на 100 км.С учётом вышеизложенного наиболее перспективным для снижениярасхода топлива является оптимизация работы генераторной установки. В19современныхсистемахэлектроснабженияавтотранспортныхсредств,построенных по традиционной “буферной” схеме, целью управленияявляется ограничение напряжения генератора на определенном уровне взависимости от частоты вращения генератора и тока потребителейэлектроэнергии.С ростом температуры уровень напряжения настройки регуляторанапряженияавтоматическиуменьшается.Втрадиционнойсистемеэлектроснабжения аккумуляторная батарея не успевает компенсироватьпотерю заряда в процессе пуска двигателя внутреннего сгорания из-забыстрого роста температуры (в подкапотном пространстве температураповышается до 50˚С после пуска происходит за 5 – 7 минут и напряжениенастройки снижается с 15В до 13В).

Поэтому необходимо поддерживатьповышенное напряжение, более длительное время. В последнее времяпроводитсяразработкаадаптивныхсистемэлектроснабженияавтотранспортных средств.В качестве цели управления для адаптивных систем обычноиспользуется один из следующих параметров:- рациональный расход топлива двигателем на привод генераторнойустановки;- рациональный уровень стабильности напряжения в бортовой сети;- обеспечение заданного зарядного состояния аккумуляторной батареи(определенной степени заряженности).Указанные параметры определяют качество работы основных системэлектрооборудования автотранспортных средств.Рассмотрим один из возможных вариантов системы электроснабжения,обеспечивающей заданный уровень стабильности напряжения на приемникахэлектроэнергии, разработанной фирмой Бош (Германия).

При включенииодного измощных приемников электроэнергии система управленияувеличивает обороты холостого хода двигателя с 550 мин-1 до 1000 мин-1.Этим достигается увеличение мощности, вырабатываемой генератором на20оборотах холостого хода двигателя автомобиля, и, следовательно, снижениетока разряда и повышение напряжения аккумуляторной батареи в данномрежиме.Анализ современных методов повышения топливной экономичностиавтотранспортных средств за счет оптимизации алгоритмов управлениясистемой электроснабжения предусматривает решение в 2, 3, 4, 5 и 6 главахследующих задач:-анализсуществующихметодоврасчетаипроектированияэлектрооборудования автотранспортных средств;-разработкаметодикиимитационногомоделированиядляисследования работы компонентов систем электроснабжения и пускадвигателя в эксплуатации;- проверка адекватности математической модели;- создание эффективных по критерию расхода топлива и токсичностиотработанныхгазов способов управления напряжением генераторнойустановки автотранспортного средства;- разработка измерительного комплекса и методики для испытанийсистем электроснабжения в эксплуатации, обеспечивающие оценку качестваработы систем по функциональным показателям.Во второй главе проведен теоретический анализ основных методоврасчета выходных параметров компонентов система электроснабжения ипуска (генераторной установки, аккумуляторной батареи, стартерногоэлектродвигателя) автотранспортных средств.

Обзор современных методикисследованиясистемэлектроснабженияавтотранспортныхсредствпоказывает, что в настоящее время оценка качества работы автомобильныхсистем электроснабжения проводится по результатам балансных испытаний.Критериями оценки являются суточный баланс электроэнергии и удельныйчасовой разряд или заряд аккумуляторной батареи.

Указанные параметрыпозволяют проводить лишь косвенную оценку качества работы системэлектроснабжения в эксплуатации, так как основной задачей системы21является надежное обеспечение потребителей электрической энергиейтребуемого качества в различных режимах и условиях эксплуатации.Анализ режимов и условий эксплуатации автотранспортных средствпоказывает целесообразность использования в качестве основных критериевоценки автомобильной системы электроснабжения значение напряжения напотребителях электрической энергии и тока аккумуляторной батареи вэксплуатации, которые имеют собственные вероятностные распределения.Такойподходкоценкекачествасистемэлектрооборудованияавтотранспортных средств позволяет проводить обоснованный выборвыходных параметров генераторной установки (частоты холостого хода, токаотдачигенераторанаоборотаххолостого ходасиловогоагрегата,максимального тока отдачи, напряжения настройки регулятора напряжения)и емкости аккумуляторной батареи.Существующие методики расчета выходных характеристикэлектроснабженияавтомобиляоснованынаусреднениисистемпараметров,влияющих на работу генераторной установки, стартерного электродвигателяи аккумуляторной батареи.Коэффициент времени работы и коэффициент нагрузки полностью неучитывают условия эксплуатации, в частности интенсивность движения иманеру вождения.