Диссертация (1173095), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Широкое распространение для привода вдвижение ТС малого класса получили бесколлекторные электродвигателипостоянного тока (BLDC – Brushless Direct Current), обладающие высоким КПД,93малым энергопотреблением, а также герметичным корпусом с замкнутой системойохлаждения, что предоставляет возможность работы таких электрических машинпод водой. Примером являются BLDC моторы производства компании GoldenMotor [63]. Перестроенная по расчетным интервалам скоростная характеристикамотора HPM3000L c жидкостным охлаждением, имеющего номинальнуюмощность 3 кВт, представлена на Рисунке 4.2.Рисунок 4.2 – Скоростная характеристика Golden Motor BLDC HPM3000LРассчитаем передаточное отношение UЗКР колесных редукторов заднихполуосей по следующей формуле:расчЗКР =К ЗОЭМ,2,65(4.10)где nЗОЭМ – частота вращения вала ЗОЭМ, соответствующая механическоймощности NЗОЭМ, об/мин.94расчНеобходимо округлить полученное расчетное значение ЗКР до ближайшегопередаточного отношения, которое обеспечивают серийно производящиесяредукторы.
Рассчитанные данные сводятся в таблицу.Выбрав ЗОЭМ и колесные редукторы задних полуосей, оценим тяговоскоростные свойства ГАММК при движении по суше в режиме «ЭМ».Зададимся расчетным диапазоном частот вращения ЗОЭМ и подсчитаемскорость vi, км/ч, по формуле: = 0,377ЗОЭМ к.ЗКР(4.11)Для расчета силы сопротивления воздуха Rв в кН на скорости vi добавим кформуле (4.5) множитель 10-3:о 2 10−3в =.13Динамический фактор Di рассчитывается по формуле: = д −в,(4.12)(4.13)где fдi – удельная сила тяги по двигателю, которая определяется так:д =2ЗОЭМ ЗКР.(4.14)Расчетные данные сводятся в таблицу и по ним строится графикдинамической характеристики ГАММК в режиме «ЭД» (Рисунок 4.3) приопределенных ранее дорожных условиях.Как видно из графика, изображенного на Рисунке 4.3, рассматриваемаяГАММК обладает максимальным динамическим фактором 0,22 и способнапреодолеть в заданных условиях движения угол подъема 8о.Теперь определим характеристику приемистости ГАММК в режимедвижения «ЭД».
Разгон с места амфибии в рассматриваемом режиме происходитза один этап – с момента включения ЗОЭМ до достижения максимальной скорости.Принимаем, что за время разгона эксплуатационные условия остаются безизменения.95Рисунок 4.3 – Динамическая характеристика в сухопутном режиме «ЭМ»Ускорение машины является переменной величиной, так как динамическийфактор изменяется в зависимости от скорости движения, поэтому для определениязависимости v = f(t) можно применить приближенный способ.
Динамическуюхарактеристику от начала движения до максимальной скорости разбиваем на jинтервалов. Для каждого интервала считаем, что с изменением скорости движениядинамический фактор является постоянным.Величина ускорения ′′ , м/с2, находится следующим образом:′′ =( − ), (4.15)где Dj – динамический фактор ГАММК на j-ом интервале, определяемый по линиитренда графика динамической характеристики,δ – коэффициент приведенной массы, определяющийся по формуле:2 = 1 + + ЗКР,(4.16)96где am = 0,03…0,05, bm = 0,001…0,002 – коэффициенты масс для колесных ТС.Время разгона tj, c, в j-ом интервале находим по зависимости: − −1 =.(4.17)Полное время разгона tп, с, равно сумме временных отрезков на j интервалах:п = ∑ .(4.18)Составим таблицу, по которой построим график разгона ГАММК в режиме«ЭМ», подобный тому, что представлен на Рисунке 4.4.Рисунок 4.4 – График разгона в сухопутном режиме «ЭМ»Согласно графику, разгон ГАММК до скорости 59 км/ч занимает 32 секунды.Определившись с основными потребителями электроэнергии (ЗОЭМ) и знаяхарактеристики бортовой аппаратуры, можем перейти к расчету минимальнонеобходимой мощности ЦОЭМ, при которой обеспечивается энергобалансГАММК, когда ЦОЭМ работает как генератор.97Для этого необходимо установить максимальную электрическую мощностьWпотр, Вт, включенных потребителей с учетом коэффициентов их использования последующему выражению:потр = ∑потр потр потр н ,(4.19)где Iпотрi – ток i-го потребителя, А,Uпотрi – напряжение i-го потребителя, В,nпотрi – количество i-х потребителей, шт.,τti – коэффициент временного использования i-го потребителя,τнi – коэффициент нагрузки i-го потребителя со ступенчатым включением.Потребный ток и напряжение элементов бортовой аппаратуры указаны в ихтехнических характеристиках, а соответствующие им значения коэффициентовнагрузки и временного использования указаны в справочных материалах [96].Расчетные данные удобно вносить в табличную форму.Вычисливэлектрическуюмощностьпотребления,запишемусловиеминимальной электрической мощности ЦОЭМ для обеспечения энергобаланса:ЦОЭМ≥потр,ЦОЭМ(4.20)где ηЦОЭМ – КПД центральной обратимой электромашины.СледующимэтапомявляетсярасчетпотребнойемкостиАКБиобеспечиваемого этой емкостью запаса хода.
Наиболее подходящими дляприменения в конструкции машин малого класса являются литий-феррофосфатные (LiFePo4) аккумуляторные батареи, состоящие из нескольких ячеек(Рисунок 4.5 (а)).Аккумуляторы такого типа компактные, энергоемкие, обладают глубинойразряда до 95% и способны работать в широком диапазоне температурокружающей среды.
В зависимости от требуемого запаса автономного ходаГАММК за счет ЗОЭМ аккумуляторный блок может состоять из различногоколичества литий-ферро-фосфатных аккумулирующих ячеек.98Рисунок 4.5 – Литий-ферро-фосфатные аккумуляторы:а – АКБ, набранный из ячеек LiFePo4, б – параллельная схема подключенияДля параллельной схемы подключения (Рисунок 4.5 (б)) согласно основнымзаконам электротехники справедливы следующие зависимости:CАКБ = 1 + ⋯ + −1 + ,(4.21)UАКБ = 1 = ⋯ = −1 = ,(4.22)IАКБ = 1 + ⋯ + −1 + ,(4.23)1АКБ=111+ ⋯++ ,1−1 (4.24)где САКБ – суммарная емкость АКБ, набранного из n ячеек, А∙ч,UАКБ – напряжение АКБ, имеющего n ячеек, В,IАКБ – максимальный ток разряда АКБ, состоящего из n ячеек, А,RАКБ – суммарное внутреннее сопротивление АКБ, вмещающего n ячеек, мОм.Как было сказано выше, основными потребителями электроэнергииявляются ЗОЭМ, работающие в тяговом режиме.
По характеристике (Рисунок 4.2)можем установить величину потребляемого ими тока.99Рассчитаем величину тока разряда Iн, А, в режиме работы КЭУ «ЭМ» сучетом остальных потребителей по формуле:2 ∙ ЗОЭМ + экв,ЭБУ ПРН =(4.25)где ηЭБУ – КПД электронного блока управления,ηПР – КПД преобразователя,Iэкв – эквивалентный ток потребления прочих приборов, включенных всухопутном режиме движения «ЭМ», А, рассчитываемый следующим образом:экв = ∑потр потр н .(4.26)Каждая ячейка обладает характеристикой максимального непрерывного токаразряда Imax, А, при превышении которого существенно снижается ее долговечность. Тогда минимально допустимое количество ячеек в АКБ равно:расчб=н.(4.27)расчОкруглим полученное расчетное значение бв большую сторону. Тогдаток нагрузки Iя, А, приходящийся на одну ячейку АКБ, состоящую из kб ячеек,вычисляется по формуле:я =н.б(4.28)Расчетное время tp, мин, до разрядки АКБ на определенный процент принагрузочном токе ячейки Iя, А, равно:р =60Ср,я(4.29)где Ср – емкость Пекерта, А∙ч, соответствующая глубине разрядки аккумулятора.Емкость Пекерта Ср определяется по формуле:Ср = (я) ,где СЯ – емкость ячейки при полном разряде номинальным током, А∙ч,СRATE – рейтинг емкости, соответствующий определенному процентуразрядки аккумуляторной батареи номинальным током,(4.30)100n – экспонента Пекерта.Величина рейтинга CRATE зависит от нагрузочного тока и указывается втехническойаккумуляторовхарактеристикебезопасныйаккумулятора.уровеньДляглубинылитий-ферро-фосфатныхразрядки,обеспечивающий2000…3000 рабочих циклов, составляет 80%, а рейтинг CRATE соответственно равен0,8.
Значение экспоненты Пекерта характеризует способность АКБ отдавать зарядпри номинальной нагрузке и определяется экспериментально для каждого типабатареи. Для АКБ типа LiFePo4 принимают n = 1,05…1,1.Поскольку существует проблема ограниченности бортового пространства,интерес представляет также оценка массогабаритных свойств АКБ в зависимостиот потребного запаса хода ГАММК в режиме «ЭМ».
Рассчитаем массуаккумуляторного блока MАКБ, кг, и долю ωАКБ, %, занимаемого аккумуляторнымблоком объема VAКБ, м3, от общего полезного объема VСМ, м3, среднего модуляГАММК, в котором расположен АКБ, по формулам:АКБ = б я ,АКБ =АКБ∙ 100%,СМ(4.31)(4.32)где mя – масса одной ячейки LiFePo4, кг,VАКБ – объем АКБ, состоящего из kб ячеек, м3, определяющийся по зависимости:АКБ = б я ,(4.33)где Vя – объем, занимаемый одной ячейкой LiFePo4.Результаты расчетов сводятся в таблицу. График зависимости тока нагрузки,приходящегося на одну ячейку, времени разряда при глубине разряда 80 %, а такжемассы АКБ от количества ячеек приведен на Рисунке 4.6.Как видно из графика, АКБ, состоящий из 10 ячеек LiFePo4 обладает массой5,3 кг, нагрузочный ток ячейки равен 21,6 А, а время разрядки составляет 56 минут.101Рисунок 4.6 – Зависимость тока нагрузки одной ячейки и массыаккумуляторного блока от количества составляющих его ячеекЗначения запаса хода SЭМ, км, определим для различных скоростей движенияи для различного количества ячеек в АКБ.
Результаты расчета сведем в таблицу ипо полученным данным построим график зависимости запаса хода ГАММК отскорости движения в сухопутном режиме «ЭМ» (Рисунок 4.7).Из графика следует, что при 10 ячейках АКБ в сухопутном режиме движения«ЭМ» обеспечивается запас автономного хода 46 км на скорости 50 км/ч.Окончательно выберем параметры АКБ после расчета водоходного режимадвижения«ДВС+ЭМ»,входекоторогонеобходимобудетопределитьэлектрическую мощность ЦОЭМ, обеспечивающую достаточный для выхода наустойчивое глиссирование подвод мощности к водоходному движителю.Пример расчета баланса электроэнергии ГАММК с КЭУ представлен в [98].102Рисунок 4.7 – Зависимость запаса хода ГАММК от скорости движения приразличном количестве ячеек аккумуляторного блока в режиме «ЭМ»4.3.
Режимы водоходного движения за счет двигателя внутреннего сгоранияи центральной обратимой электромашиныОпределив тягово-скоростные свойства и запас автономного хода ГАММК всухопутном режиме «ЭМ», предварительно подобрав параметры ЗОЭМ и АКБ, атакже рассчитав энергобаланс амфибии, приступим к выбору мощности ДВС иЦОЭМ исходя из обеспечения требуемой ходкости ГАММК, так как движениеамфибии по воде является более энергозатратным, чем движение по суше.В процессе проведениячисленного эксперимента по определениюгидродинамических свойств ГАММК с дополнительным оборудованием (3-я главадиссертации) получена буксировочная характеристика Rб = f(vв) для ГАММКмодели «4», обладающей лучшим гидродинамическим качеством относительнопрочих исследованных моделей.103Построим на основе буксировочной характеристики модели «4» ходовуюхарактеристику Pe, Rб = f(vв) (Рисунок 4.8), исходя из которой установим потребнуюмощность ДВС для движения по воде с максимальной скоростью и уточнимэлектрическую мощность ЦОЭМ, принимая во внимание условие (4.20).Рисунок 4.8 – Ходовая характеристика ГАММК модели «4» с КЭУОтметим три зоны на графике буксировочной характеристики согласнорассчитанным по формуле (1.2) значениям чисел Фруда: I – водоизмещающийрежим (FrD < 1), II – переходный режим (1 < FrD < 3) и III – режим устойчивогоглиссирования (FrD > 3).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
