Регистрация / Вход
Прислать материал

14.576.21.0031

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.576.21.0031
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт "НАМИ"
Название доклада
Разработка комбинированной энергоустановки транспортных средств с алгоритмами взаимодействия основных элементов, обеспечивающими повышение их общей энергоэффективности
Докладчик
Карпухин Кирилл Евгеньевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Развитие научно-технического и технологического комплекса страны в сфере повышения энергоэффективности и энергосбережения в транспортном секторе России. В результате чего будет получен полезный научно-технический, технологический и социальный эффект, который будет обеспечен использованием полученных результатов в части вывода на рынок инновационной научно-технической продукции и технологий международного уровня, а также замещения существующего импорта.
Достижение данных целей осуществляется посредством разработки, создания и проведения комплексных испытаний экспериментального образца электрического транспортного средства с системой Range extender, оборудованного системой накопления и хранения электрической энергии с уникальной системой термостатирования.
Актуальность и новизна исследования
По прогнозам Европейской комиссии по транспорту к 2020 году в Европе 7 % пассажирского и легкого коммерческого транспорта будет с электрическим приводом, а к 2030 году эта цифра увеличится до 31 %. Данная мера является вынужденной в связи с резким ухудшением ситуации на планете связанной с загрязнением воздуха и глобальным потеплением. Тенденция увеличения парка электромобилей и автомобилей с комбинированной энергоустановкой (КЭУ) определяет и расширение географических зон их эксплуатации, включая и северные зоны с их морозной зимней погодой.
Один из ключевых недостатков, препятствующий повсеместному использованию электромобилей, это ограниченный диапазон их действия. Существующую проблему трудно решить увеличением ёмкости аккумуляторной батареи, так как это приводит к удорожанию транспортного средства (ТС) и увеличению массы, что, в свою очередь, увеличивает расход энергии на преодоление сил сопротивления движению. К тому же большой аккумулятор имеет продолжительное время заряда (до 7-8 часов).
Климатические условия России являются одними из самых суровых в мире. Россия имеет обширную территорию и большие расстояния между административными центрами. Присущие электромобилю недостатки, наложенные на климатические особенности нашей страны, обостряют проблемы, препятствующие популяризации электромобильного транспорта. В свою очередь создание и последующее внедрение в транспортную инфраструктуру городов электрического транспортного средства с системой Range extender, оборудованного инновационной системой накопления и хранения электрической энергией с системой термостатирования позволит получить экологический чистый транспорт с пробегом на одной зарядке сопоставимой со стандартными ТС.
Описание исследования

В ходе проведения работ был сформулирован общий подход к созданию системы управления комбинированной энергоустановкой (КЭУ): алгоритм управления разрабатывался, как часть модели автомобиля с КЭУ в среде Simulink; затем Simulink-подсистема с алгоритмом компилировалась и «прошивалась» в аппаратный контроллер КЭУ и затем тестировалась на автомобиле. Эти действия выполняются итеративно (циклически) – скорректированный при испытаниях автомобиля алгоритм возвращается в программную среду и тестируется/модифицируется далее. Для реализации данного подхода был выбран аппаратный контроллер Texas Instruments. Для осуществления его взаимодействия с компонентами КЭУ – тяговым инвертором, системой управления батареей BMS и двигатель-генераторной установкой Range Extender – были проанализированы и программно расшифрованы их протоколы связи. Сформирован перечень сигналов, которыми контроллер КЭУ должен обмениваться с компонентами. Протоколы связи и сигналы были закодированы в Simulink-драйверы Texas Instruments, осуществляющие взаимодействие между компонентами КЭУ и алгоритмом управления. Управляющая часть (алгоритм) ПО контроллера КЭУ была реализована в среде Simulink и в ее приложении StateFlow в виде структуры состояний КЭУ и переходов между этими состояниями и интегрирована в общую модель КЭУ. Посредством программной среды Texas Instruments Code Composer Studio проведена тестовая компиляция кода контроллера и его «прошивка» в процессор TMDSDOCK28335.

При разработке алгоритма управления КЭУ посредством моделирования были учтены электрические характеристики тяговой батареи: ограничения по разрядному и зарядному токам, ограничения по падению напряжения, а также была уточнена динамика расходования/восполнения заряда. Для выполнения этих задач была разработана модель батареи в виде электрической схемы замещения. Использованная схема Saft показала высокую точность воспроизведения электрических показателей батареи – погрешность по напряжению в проведенных вычислительных экспериментах не превысила 2%. Для определения динамики SOC батареи был использован расчет КПД по омическим потерям. В проведенном эксперименте разность между рассчитанными по модели 2хRC и считанными с серийного контроллера BMS значениями SOC составила 0.13% от полного заряда батареи и 6% от амплитуды изменения SOC в ходе эксперимента. Модель батареи была реализована в среде Simulink и интегрирована в общую модель КЭУ.

Была разработана методика расчета требуемого тока балансировки для электромобиля с выбранными параметрами аккумуляторной батареи с привлечением методов математического моделирования. Определение уровня деградации аккумуляторных ячеек осуществлялось методом измерения их внутренних сопротивлений и сравнении этих значений со значениями первого измерения.

Был проведен расчет системы термостатирования аккумуляторной батареи, который осуществлялся по разработанной методике расчета тепловых энергетических потоков.

Результаты исследования

В результате выполнения исследования были получены следующие основные научно-технические результаты:

1. Был спроектирован и создан экспериментальный образец транспортного средства с комбинированной энергоустановкой с системой Range Extender, который позволяет обеспечивать:

- снижение расхода топлива, в пределах 12...14 % по сравнению с существующими аналогами транспортных средств с КЭУ;

- выбросы вредных веществ ТС соответствуют техническому регламенту "О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ", экологический класс 5 (Правила ЕЭК ООН №83-06);

- работу тягового электродвигателя в номинальном режиме S1;

- максимальную скорость ТС 134 км/ч как при включенной, так и при выключенной установке Range Extender;

- автоматическую остановку и запуск ДВС при работе в режиме «Стоп – Старт»;

- штатное срабатывание системы рекуперации в скоростном диапазоне 5...120 км/ч, обеспечивающее замедления автомобиля до 3 м/с2

2. Была спроектирована и создана система накопления и хранения электрической энергии для комбинированной энергоустановки транспортных средств, предназначенная для обеспечения электрической энергией тягового электропривода, а также для накопления и хранения энергии полученной путем рекуперативного торможения. Система накопления и хранения электрической энергии позволила обеспечить:

- напряжение 305 В;

- энергоёмкость 23 кВт/час;

- максимальный зарядный ток  73 А;

- максимальный разрядный ток 154 А.

3. Была спроектирована и создана система термостатирования накопителей электрической энергии для комбинированной энергоустановки транспортных средств, предназначенная для обеспечения работы накопителей электрической энергии при экстремальных температурах и больших нагрузочных токах. Система термостатирования накопителей электрической энергии позволила обеспечить:

- температуру эксплуатации в пределах -40…+ 50 град. 0С;

- температуру в аккумуляторном модуле в пределах +12…+ 18 град. 0С;

- потребляемую мощность 142 Вт.

4. Была разработана система управления комбинированной энергоустановкой, которая позволяет реализовать информационно-управляющее взаимодействие между тяговым электроприводом автомобиля, состоящим из электромашины, инвертора и аккумуляторной батареи, и двигатель-генераторной установкой Range Extender. Программное обеспечение системы управления включает алгоритм управления КЭУ, который разработан в среде MATLAB/Simulink и предварительно тестируется на математической модели автомобиля с КЭУ (software-in-the-loop), а также служебные программы-драйверы, осуществляющие обмен информацией и взаимодействие аппаратной и программной частей системы управления.

Разработанный экспериментальный образец транспортного средства с комбинированной энергоустановкой с системой Range Extender соответствует требованиям Директивы Евросоюза 2000/53/EC, касающихся обеспечения степени рециклирования на уровне не ниже 85% и степени утилизации не менее 95%.

Практическая значимость исследования
В России мероприятия по внедрению энергоэффективного транспорта могут выполняться в рамках действующей программы развития отечественного автомобилестроения до 2020 года, в которой большая роль отводится развитию и внедрению в производство инновационных разработок Российской науки в области новых и перспективных источников энергии, что позволит уже в ближайшем будущем повысить энергоэффективность выпускаемой продукции и доведения ее качества до уровня мировых аналогов.
Энергоэффективный транспорт с низкими показателями вредных выбросов, использующий технологии КЭУ, активно внедряется за рубежом для обеспечения городских перевозок – пассажирских и грузовых. Значительную роль в успехе этого внедрения играет поддержка государства в виде субсидирования как производителей автомобилей с КЭУ, так и их потребителей. Применение аналогичного подхода в России, например, в рамках городских программ по модернизации муниципального автотранспорта, позволит создать для автопроизводителей стимулы для внедрения энергоустановок нового поколения.
Разработанная в рамках настоящего проекта КЭУ на базе Range Extender позволяет модифицировать электромобили, уже выпускаемые отечественными производителями (АвтоВАЗ, группа ГАЗ), или создавать автомобили с повышенной энергоэффективностью на базе серийных моделей с традиционными энергоустановками. Представляется целесообразным применять их в таких сферах городских перевозок, как экотакси, почтовые перевозки и малотоннажные грузовые перевозки. Наличие тяговой батареи достаточно большой энергоемкости позволит автомобилям, оборудованным разработанной КЭУ, передвигаться в центральных районах городов с малыми и средними скоростями на электротяге, а движение на повышенных скоростях будет обеспечено энергией Range Extender. Суммарный пробег автомобиля за счет энергии батареи и Range Extender позволит осуществлять его непрерывную работу в течение всего рабочего дня без подзарядки и обеспечивать среднесуточные пробеги, соответствующие типичным эксплуатационным показателям для перечисленных видов перевозок. Применение на автомобилях инновационной системы накопления и хранения электрической энергии с системой термостатирования позволит эксплуатировать электромобиль в сложных климатических условиях России.