Бортовые источники и накопители энергии автотранспортных средств с тяговыми электроприводами
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Автомобильный транспорт
Издательство:
Издательство ФОРУМ
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 280
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
Среднее профессиональное образование
ISBN: 978-5-00091-676-6
ISBN-онлайн: 978-5-16-108987-3
Артикул: 705917.01.01
Доступ онлайн
от 340 ₽
В корзину
В учебнике рассмотрены проблемы энергообеспечения основных типов автомобилей. Большое внимание уделено структурам различных гибридных автомобилей.
Учебник предназначен для студентов учреждений среднего профессионального и высшего образования, обучающихся по специальности 23.00.00 «Техника и технологии наземного транспорта», может быть полезен инженерам и исследователям, занимающимся электромобилями.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- Среднее профессиональное образование
- 23.02.02: Автомобиле- и тракторостроение
- 23.02.03: Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта
- 23.02.05: Эксплуатация транспортного электрооборудования и автоматики (по видам транспорта, за исключением водного)
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
БОРТОВЫЕ ИСТОЧНИКИ И НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С ТЯГОВЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ Е.М. Овсянников Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом профессионального образования в качестве учебника для использования в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих программу СПО по специальности 23.00.00 «Техника и технологии наземного транспорта» (протокол № 7 от 08.06.2020) УЧЕБНИК 2-е издание, переработанное и дополненное Москва 2021 ИНФРА-М УДК 629.33(075.32) ББК 39.33-04я723 О34 Овсянников Е.М. О34 Бортовые источники и накопители энергии автотранспортных средств с тяговыми электроприводами : учебник / Е.М. Овсянников. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2021. — 280 с. — (Среднее профессиональное образование). ISBN 978-5-00091-676-6 (ФОРУМ) ISBN 978-5-16-015049-9 (ИНФРА-М) В учебнике рассмотрены проблемы энергообеспечения основных типов автомобилей. Большое внимание уделено структурам различных гибридных автомобилей. Учебник предназначен для студентов учреждений среднего профессионального и высшего образования, обучающихся по специальности 23.00.00 «Техника и технологии наземного транспорта», может быть полезен инженерам и исследователям, занимающимся электромобилями. УДК 629.33(075.32) ББК 39.33-04я723 Р е ц е н з е н т ы: В.В. Лохнин — доктор технических наук, профессор кафедры «Электротехника» ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет МАМИ»; А.А. Никольский — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник кафедры «Автоматизированный электропривод» Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт» ISBN 978-5-00091-676-6 (ФОРУМ) ISBN 978-5-16-015049-9 (ИНФРА-М) © Овсянников Е.М., 2015 © Овсянников Е.М., 2017, с изменениями © ФОРУМ, 2017
Список основных сокращений АБ — аккумуляторная батарея АД — асинхронный двигатель АКБ — аккумуляторная батарея АТС — автотранспортное средство БВП — бортовой вентильный преобразователь БИЭРФП — бортовые источники энергии различной физической природы БНЭ — бортовой накопитель энергии БТЭ — батарея топливных элементов БЭУ — бортовая энергоустановка ВАХ — вольтамперная характеристика ВД — бесщеточный (вентильный) двигатель ВИД — вентильноиндукторный электродвигатель ВК — ведущие колеса электромобиля ГА — гибридный автомобиль ГПТ — генератор постоянного тока ГСУ — гибридная силовая установка ГЭУ — гибридная энергетическая установка ДБ — диодный блок ДВС — двигатель внутреннего сгорания ДВСГУ — ДВСгенераторная установка ДНВ — двигатель постоянного тока с независимым возбуждением ДПТ — двигатель постоянного тока ЕНЭ — емкостный накопитель энергии ЗУ — зарядное устройство ЗУ — устройство заряда ИПК — индивидуальный привод колес ИЭЭ — источник электрической энергии КПД — коэффициент полезного действия КПП — коробка переключения передач КЭУ — комбинированная энергоустановка ЛНЭ — линия наибольшей эконормичности МН — механический накопитель энергии МНЭ — маховиковый накопитель энергии МПСУ — микропроцессорная система управления МПТ — машина постоянного тока НВ — нановолокна НГМА — никельметаллогидридный аккумулятор НРЦ — напряжение рабочего цикла НТ — нанотрубки НЭ — накопитель энергии НЭЭ — накопитель электрической энергии
ПМТЭ — метаноловые топливные элементы ПОМ — протонообменная мембрана ППН — преобразователь постоянного напряжения ПУ — пороговое устройство РММ — регулятор максимальной мощности РР — релейный регулятор РУ — разрядное устройство РЭ — релейный элемент РЭП — релейный электропривод СА — система автоматики САЭО — система автономного энергообеспечения СБ — солнечная батарея СКА — свинцовокислотный аккумулятор СМ — солнцемобиль СН — стабилизатор напряжения СТП — система тягового привода СТЭ — система тягового электропривода СФЭУ — солнечная фотоэлектрическая установка СЭ — солнечный элемент ТАБ — тяговая аккумуляторная батарея ТКБ — тяговая конденсаторная батарея ТОТЭ — твердоокисный топливный элемент ТП — топливный процесс ТР — трансмиссия ТС — транспортное средство ТЭ — топливный элемент ТЭГ — термоэлектрический генератор ТЭД — тяговый электродвигатель ТЭП — тяговый электропривод ТЭС — тепловые электростанции УГ — униполярный генератор УД — униполярный двигатель ФС — фотоэлектрическая система ФЭ — фотоэлемент ФЭП — фотоэлектрический преобразователь ХИТ — химические источники тока ШС — шунтовый стабилизатор ЭД — электродвигатель ЭДС — электродвижущая сила ЭМ — электромобиль ЭМ с ТЭ — электромобиль с топливными элементами ЭМБ — электромеханическая батарея ЭМП — электромеханический преобразователь ЭУ — энергетическая установка ЭХГ — электрохимический генератор ЭХЗ — электрохимическая зона ЭХН — электрохимический накопитель ЭЭУ — электрохимическая энергетическая установка 4 Список основных сокращений
Введение Бортовые источники и накопители энергии автотранспортных средств с тяговыми электродвигателями основаны на использовании следующих устройств: • двигатели внутреннего сгорания с электрогенераторами; • электрохимические генераторы; • солнечные батареи; • тяговые аккумуляторные батареи; • емкостные накопители энергии; • маховиковые накопители энергии. Выработанная и накопленная электроэнергия потребляется тяговыми электроприводами и дополнительными потребителями энергии. Первый электромобиль был создан Робертом Дэвидсоном в 1838 г. в Англии — значительно раньше автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, всего через шесть лет после открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции. Это была огромная машина с ваннами, заполненными серной кислотой, с очень маленькой скоростью. Поначалу он опережал обычный автомобиль по объему выпуска и скорости передвижения — к 1912 г. в США было изготовлено более 10 тыс. электромобилей, однако позже не смог стать его конкурентом. Произошло это изза недостатка емкости существовавших тогда аккумуляторов и несовершенной конструкции электропривода. Тяговый электродвигатель в таких машинах получал питание от батарей со свинцовыми аккумуляторами емкостью всего 20 Вт/ч⋅кг. Однако с приходом XXI в. топливных элементов питания и, конечно же, свежих идей (в том числе и отечественных) многие производители автомобилей дают электромобилю второй шанс. Будет ли он удачным? Для этого ответа надо рассмотреть существующие решения, проанализировать все достоинства и недостатки.
Ухудшение экологической обстановки, обусловленное вредным воздействием автотранспорта, в городах носит катастрофический характер в первую очередь в связи с загрязнением воздушного бассейна выбросами вредных веществ автомобильных двигателей, поэтому приоритетной задачей проектирования городских автомобилей является снижение количества выбросов вредных веществ и улучшение топливноэкономических показателей проектируемых автомобилей. В первые годы после появления автомобиля примерно половина выпускаемых моделей имела электрический привод. Однако через несколько лет он был практически полностью вытеснен двигателем внутреннего сгорания (ДВС), хотя кривая протекания крутящего момента электрического двигателя как нельзя лучше подходит автомобилю и позволяет отказаться от сцепления и коробки передач. Максимальный крутящий момент электрический двигатель развивает при трогании с места, а с ростом оборотов его величина плавно убывает. Основными проблемами электромобиля до сих пор являются источники питания и система регулирования и управления приводом. Поэтому вспоминают об электроприводе только как об экологически чистой альтернативе автомобилю с ДВС в городах. Однако ни одна созданная в мире конструкция электромобиля не смогла еще удовлетворить даже самого невзыскательного потребителя. Причины этого — малый пробег без подзарядки, небольшая максимальная скорость, плохая динамика и сложности с зарядкой. Известно, что современный автомобиль имеет достаточно хорошие показатели топливной экономичности и экологичности при равномерном движении в достаточно широком диапазоне рабочих скоростей. Однако, при движении в режиме городского цикла, представляющего собой постоянное чередование фаз разгона, равномерного движения, замедления и стоянки с работающим на холостом ходу двигателем, эти же показатели существенно ухудшаются. Причин несколько: недостаточное использование потенциальной мощности двигателя при движении с ограниченной в условиях города скоростью, вследствие чего двигатель работает с повышенными удельными расходами, постоянные затраты энергии на накопление автомобилем кинетической энергии, которая затем через короткий промежуток времени переводится в тепло и безвозвратно теряется в фазе служебного замедления автомобиля, бесполезная затрата энергии при работе двигателя в режиме холостого хода на служебной остановке при движении в режиме городского цикла. 6 Введение
С перечисленными недостатками можно вести борьбу разными методами: внедрением системы «стоп—старт», позволяющей исключить работу двигателя при служебной стоянке в режиме городского цикла внедрением систем рекуперации энергии торможения, гасящих накопленную при разгоне кинетическую энергию не фрикционными тормозами, а системой рекуперации, позволяющей в дальнейшем использовать эту энергию для разгона автомобиля. Можно увеличить степень использования мощности двигателя при равномерном движении с относительно невысокой скоростью городского цикла путем применения бесступенчатой передачи вместо ступенчатой трансмиссии, осуществляя при этом регулирование скорости равномерного движения не дросселированием двигателя, как это осуществляется при ступенчатых трансмиссиях, а путем регулирования частоты вращения ДВС при работе его по характеристике минимальных расходов. Все перечисленные пути улучшения характеристик автомобиля при его работе в городском цикле ведут к значительному усложнению и удорожанию конструкции автомобиля, поэтому до настоящего времени не нашли широкого применения в массовом автостроении, кроме, пожалуй, бесступенчатых трансмиссий, однако и они еще недостаточно распространены. В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений решения проблемы городского автотранспорта является применение гибридных силовых установок, позволяющих достичь требуемого улучшения экологических показателей автомобиля за счет сочетания преимуществ основного и пикового источника энергии путем разработки систем и оптимизации алгоритма их совместной работы, в основу которых положено движение автомобиля в городском цикле. Энергия основного источника (ДВС, топливные и полутопливные элементы) непрерывно расходуется в течение длительного времени, предназначена для преодоления силы сопротивления движения автомобиля. Энергия пикового источника (тяговая аккумуляторная батарея (ТАБ), емкостной накопитель энергии (ЕНЭ), маховиковый накопитель энергии (МНЭ)), обладающего свойствами накопителя, затрачивается на преодоление сопротивления силы инерции (разгон автомобиля). Пиковый источник энергии (накопитель) заряжается за счет избыточной (не реализуемой при движении в данной стадии городского цикла) энергии основного источника, а также за счет рекуперации кинетической энергии при замедлении и во время рабочих остановок [2]. Введение 7
Электроприводные автотранспортные средства (АТС) занимают значительную часть в общем парке АТС ведущих стран мира. Это троллейбусы, электромобили, гибридные автомобили, карьерные самосвалы, автопоезда и др. По сравнению с обычными АТС электроприводные имеют ряд достоинств: экологическая чистота; широкие возможности индивидуального управления скоростью и моментом каждого тягового электродвигателя (ТЭД), входящего в состав АТС, в зависимости от условий движения; оптимальные режимы работы источников энергии, что особенно важно для ДВС; отсутствие механической части трансмиссии в классическом виде. Передача энергии от источников к ведущим осям и колесам осуществляется по электрическим кабелям, что исключает потери энергии в механических передачах. Указанные достоинства обеспечат электроприводным АТС более широкое применение в мировой практике будущего. При разработке и проектировании АТС с тяговым электроприводом первостепенным и ключевым является вопрос: откуда брать энергию для питания ТЭД. Какие источники и накопители энергии и в каком сочетании используются для формирования комбинированной энергоустановки (КЭУ)? Ответам на эти вопросы посвящен данный учебник. В качестве источников энергии рассматриваются: ДВСгенератор; электрохимический генератор (ЭХГ); солнечная батарея (СБ). Эти источники используются совместно с накопителями энергии: тяговой аккумуляторной батареей (ТАБ); емкостным накопителем энергии (ЕНЭ); механическим накопителем энергии (МНЭ). Рассмотренные возможности позволяют электромобилю значительно потеснить обычный автомобиль с ДВС. Особенно в условиях города, где важны вопросы экологии и есть время для зарядки накопителя энергии при стоянках на светофорах. Учитывая равнодушное отношение частных владельцев к экологии и значительную стоимость электромобиля, на данном этапе развития автомобилестроения следует задуматься о разработке государственных программ типа «Маршрутные такси» или «Городской автобус». 8 Введение
Глава 1 ГИБРИДНЫЕ СИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВС 1.1. Состояние и развитие ГСУ Бурное развитие автомобилестроения привело к экологическим проблемам, связанным с выбросами токсичных веществ, содержащихся в отработанных газах ДВС. Ведущие автомобилестроительные фирмы мира вкладывают огромные средства в разработки по уменьшению токсичности отработанных газов и снижению расхода топлива ДВС. Намечены тенденции проведения работ по созданию ДВС нового поколения с камерами обедненного сгорания; использованию новых видов топлива (природного газа, метанола) для поршневых ДВС, улучшающих их экологические свойства; использованию водорода в качестве топлива для ДВС и т. д. Однако результаты дальнейших работ по улучшению характеристик ДВС не позволяют полностью решить проблемы экономичности топлива и снижения отработанных токсичных газов в связи с нерациональным использованием ДВС на борту автомобиля. Номинальный КПД автомобиля с дизельным двигателем составляет примерно 30 % (КПД двигателя — 34 %, коробки перемены передач — 96, карданной передачи, заднего моста и подшипников колес — 97,5, шин — 94,5 % Номинальный КПД автомобиля с бензиновым двигателем составляет примерно 21,2 % (КПД двигателя — 24 %, коробки перемены передач — 96, карданной передачи, заднего моста и подшипников колес — 97,5, шин — 94,5 %). С учетом номинальных КПД автомобилей, средних значений коэффициента увеличения расхода энергии в условиях эксплуатации — 0,62 и потерь при добыче и транспортировке (принято всего лишь 1,5 %) получается, что эффективность использования первичных энергоресурсов для автомобилей составляет (при затратах энергии на переработку нефти 19 %) [2]: • для бензиновых автомобилей — 13,4 %; • для дизельных автомобилей — 19,1 %. Как известно, при подборе мощности ДВС обычно исходят из необходимости обеспечить приемлемые тяговодинамические и скоростные характеристики транспортного средства. Для того чтобы, например, легковой автомобиль полной массой 1,2...1,5 т удовлетворял данным требованиям, на него устанавливают двигатель мощностью 50...70 кВт (70... 100 л.с). Но для равномерного движения с разрешенной в городе скоростью (60 км/ч) ему нужна мощность, не превышающая 6 кВт (8,4 л.с), а со скоростью 100 км/ч — 18 кВт (25 л.с). Особенности работы автомобильных ДВС порождают недостатки. В частности, мощность, развиваемая ДВС, зависит от частоты вращения его коленчатого вала и, следовательно, от скорости движения автотранспортного средства. При малой частоте вращения эта мощность очень мала, а при работе на холостом ходу вовсе равна нулю, и лишь при больших частотах вращения ДВС развивает максимальную мощность. Для города характерны малые средние скорости движения автомобиля, и значит, ДВС работает на малых и средних частотах вращения коленчатого вала. А такие режимы, как известно, неэкономичны и неэкологичны. Механические коробки передач в какойто степени компенсируют этот недостаток. Однако даже при большом числе передач они не всегда в состоянии обеспечить полную загрузку ДВС, т. е. его работу в режиме максимальной мощности. Существующие бесступенчатые коробки передач, которые позволяют ДВС работать постоянно на одних и тех же частотах и иметь постоянную заданную мощность, дороги и имеют низкий коэффициент полезного действия (КПД). Далее, если рассмотреть движение АТС в городских условиях, то видна нерациональность использования энергии, вырабатываемой ДВС. При разгоне эта энергия расходуется на преодоление сил инерции, сил сопротивления качению, при равномерном движении — сил 10 Глава 1. Гибридные силовые установки с использованием ДВС
сопротивления качению и сопротивления воздуха. Движение накатом происходит за счет расходования кинетической энергии АТС. При торможении сила трения в тормозах превращает кинетическую энергию в тепловую, которая безвозвратно теряется. На остановках выработанная энергия ДВС не используется. Из пяти фаз цикла движения АТС (разгона, установившегося движения, наката, торможения, остановки) лишь на двух первых энергия расходуется, в трех других она либо не используется, либо теряется. ДВС работает на протяжении всех циклов со значительно изменяющимся коэффициентом загрузки, что приводит к существенному увеличению удельного расхода топлива и вредных выбросов в отработавших газах. Вернее, здесь не была учтена энергия, расходованная на питание электрооборудований автомобиля, которая не изменяет вышеприведенную картину использования энергии ДВС на борту автомобиля. Анализ характера зависимости мощности, реализуемой на колесах автомобиля для целей тяги, от времени движения показывает, что эту мощность можно разделить на две составляющие (рис. 1.1): • мощность, затрачиваемую на преодоление основного сопротивления движению автомобиля и сопротивления воздуха; • мощность, затрачиваемую на приобретение автомобилем определенной скорости, т. е. на увеличение его кинетической энергии. 1.1. Состояние и развитие ГСУ 11 Рис. 1.1. Зависимость мощности, реализуемой на колесах автомобиля от времени движения на перегоне
Первая из этих составляющих изменяется в сравнительно узких пределах за время ездового цикла. Вторая составляющая в несколько раз превышает первую по абсолютной величине и реализуется в течение сравнительно короткого промежутка времени, соответствующего разгону автомобиля. Для реализации требуемой зависимости мощности от времени Рк(t) ДВС автомобиля должен быть выбран по пиковому значению мощности, причем все остальное время ездового цикла ДВС будет работать с недогрузкой по мощности, т. е. при ухудшенной топливной экономичности и при повышенной токсичности отработавших газов. Следовательно, ДВС будет иметь сравнительно большую массу и размеры, а коэффициент использования его мощности будет низким (0,35—0,5). Таким образом, ясно, что применение мощных двигателей на автомобилях, эксплуатируемых в городе, где средние скорости движения невелики, крайне нерентабельно. Отсюда появились рациональные пути решения экологоэкономической проблемы автотранспорта: • применение на автомобиле совместно с ДВС тягового электропривода (ТЭП), питаемого от накопителей энергии различной физической природы; • полная замена ДВС тяговым электроприводом, имеющим высокий КПД (85...90 %), «нулевую» токсичность выбросов, обеспечивающим отсутствие шума. Специалисты ведущих мировых автомобильных фирм и исследовательских организаций провели важные исследования по внедрению альтернативных источников энергии на борту АТС с тяговым электроприводом, результаты которых позволяют сформулировать следующие основные направления исследований. 1. Создание гибридных силовых установок (ГСУ) с применением в них ДВС, функционирующих в оптимальных рабочих режимах, тяговых электроприводов и различных электрохимических (тяговых аккумуляторных батарей — ТАБ), электростатических (емкостных накопителей энергии — ЕНЭ), электромеханических (маховиковых накопителей энергии — МНЭ) буферных батарей. 2. Внедрение альтернативных энергетических установок без использования ДВС: • создание энергетических установок на базе ТАБ, автомобили с этими установками получили название электромобилей (ЭМ); 12 Глава 1. Гибридные силовые установки с использованием ДВС
Доступ онлайн
от 340 ₽
В корзину