Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Математические модели источников питания автономных транспортных средств

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 636225.01.99
Доступ онлайн
22 ₽
В корзину
В пособии предлагается единый подход к математическому описанию источников питания, заданных разрядно-зарядными характеристиками. Приводятся обобщенные структурные схемы различных источников питания. Пособие предназначено для студентов специальности «Электрооборудование автомобилей и тракторов», а также может быть полезно магистрантам и аспирантам, занимающимся разработкой и исследованием систем автоматического управления автономных транспортных средств.
Аносов, В. Н. Математические модели источников питания автономных транспортных средств : учеб. пособие / В. Н. Аносов. - Новосибирск : НГТУ, 2009. - 44 с. - ISBN 978-5-7782-1231-2. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/556739 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

__________________________________________________________________________

В.Н. АНОСОВ

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ 

ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

АВТОНОМНЫХ 

ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета 

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2009

УДК 621.352.001.57 (075.8)

А 695

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Н.И. Щуров;

канд. техн. наук, доц. В.М. Кавешников

Работа подготовлена кафедрой электропривода и автоматизации 
промышленных установок для студентов факультета мехатроники 

и автоматизации и заочного факультета

Аносов В.Н. 

А 695
Математические модели источников питания автономных 

транспортных средств : учеб. пособие / В.Н. Аносов. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. – 44 с.

ISBN 978-5-7782-1231-2

В пособии предлагается единый подход к математическому описа
нию источников питания, заданных разрядно-зарядными характеристиками. Приводятся обобщенные структурные схемы различных источников питания.

Пособие предназначено для студентов специальности «Электро
оборудование автомобилей и тракторов», а также может быть полезно 
магистрантам и аспирантам, занимающимся разработкой и исследованием систем автоматического управления автономных транспортных 
средств.

УДК 621.352.001.57 (075.8)

ISBN 978-5-7782-1231-2
© Аносов В.Н., 2009
© Новосибирский государственный 

технический университет, 2009

ВВЕДЕНИЕ

Многие промышленные предприятия имеют достаточно большой 

парк машин напольного безрельсового электротранспорта (электропогрузчики, электрокары и др.), источниками питания которых являются 
аккумуляторные батареи (АБ). Это связано с тем, что с каждым годом 
возрастает объем перевозок малогабаритного груза на железнодорожных вокзалах, в грузовых портах, складских помещениях и т. д. Значительная часть указанных транспортных средств (ТС) имеет устаревшие 
морально и физически системы управления тяговыми электроприводами, которые нуждаются в модернизации. Такие ТС имеют существенный недостаток, а именно малое время пробега между двумя соседними зарядами АБ. Если учесть, что АБ заряжается 6–8 часов, а разряжается за 2–3 часа, то можно сделать вывод о том, что ТС большую 
часть рабочего цикла простаивает на зарядной станции. Поэтому для 
выполнения определенного объема перевозок предприятие должно 
иметь значительный парк автономных ТС.

В связи с этим перед специалистами остро ставится вопрос об 

энергосбережении в сфере деятельности электрического транспорта. 
Установка полупроводниковых систем управления тяговым приводом 
увеличивает время межзарядного пробега ТС, но приводит к появлению дополнительных потерь, связанных с процессами коммутации. 
Кроме того, в приводе возникают потери, вызванные нагрузкой и ее 
изменением. Для снижения указанных потерь и дальнейшего увеличения величины пробега требуется включать в состав энергоустановки 
дополнительные устройства, так как возможности совершенствования 
существующих АБ в настоящее время практически исчерпаны.

Таким образом, создание экономичного транспортного средства 

может вестись по двум направлениям.

1. Поиск альтернативных источников питания.
2. Разработка комбинированных энергоустановок (КЭУ), вклю
чающих в себя электроприводы как постоянного, так и переменного 

тока, которые интенсивно внедряются в промышленности и на транспорте.

Аккумуляторная батарея является основным элементом системы 

электроснабжения автомобилей. Она предназначена для питания стартера при пуске двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и других потребителей при неработающем генераторе или недостатке развиваемой 
мощности.

Для облегчения запуска ДВС широко используются пусковые уст
ройства, содержащие в своем составе электрохимические конденсаторы (ионисторы), которые помимо этого применяются на электротранспорте в качестве основного или буферного источника энергии.

При исследовании систем управления с указанными источниками 

питания важно знать их математическое описание.

1. ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

В связи с развитием электроприводов с автономными источниками 

питания химические источники тока (ХИТ) продолжают играть важную роль, особенно на подвижных объектах напольного электротранспорта, единственным источником питания которых они являются. Характеристики аккумуляторной батареи (АБ), зависящие от тока разряда, температуры окружающей среды, условий эксплуатации и прочего,
оказывают существенное влияние на работу системы автоматического 

0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
(5)

0
20
40
60
80
100
120 4(4)

0
1,6
3,2
4,8
6,4
8
9,8 4(3)

0
0,4
0,8
1,2
1,6
2
2,4 4(2)

0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2 4(1)

0,9

1,1

1,3

1,5

Напряжение, В

н
Q
Q/

5

4

3

2

1

U, B

Рис. 1.1. Разрядные кривые никель-железных аккумуляторов при нор
мальной температуре:

1 – разряд током, численно равным номинальной емкости (
р
н
I
Q

); 2 – разряд 

током 
р
н
0,5
I
Q ; 3
–
разряд током 
р
н
0,125
I
Q ; 4
–
разряд током 

р
н
0,01
I
Q ; 5 – кривая зависимости ЭДС от относительной разрядной емкости 

аккумуляторов. Пунктиром нанесены расчетные кривые

U, В

Q/Qн

1

2

5

3

4

Напряжение, В

управления. В свою очередь и режимы работы САУ сказываются на 
поведении и характеристиках АБ. Поэтому при исследовании систем 
тягового электропривода важно учитывать неидеальность источника 
питания, а для этого нужно иметь как можно более простое и достаточно точное математическое описание АБ.

Трудность здесь заключается в том, что разрядно-зарядные харак
теристики АБ нелинейные и имеют сложный вид, а также зависят от 
состояния предыстории АБ и условий ее эксплуатации.

На рис. 1.1 для иллюстрации приведены разрядные характери
стики никель-железных аккумуляторов, которые наиболее широко 
используются в напольном электротранспорте. Подобный же вид 
имеют разрядные характеристики стартерных аккумуляторных батарей [16, 19].

Из рис. 1.1 видно, что каждая разрядная кривая состоит из трех 

участков: двух криволинейных (начального и конечного) и прямолинейного. Нелинейное снижение напряжения на начальном участке связано с изменением поляризационной составляющей полного внутреннего сопротивления химического источника тока. ЭДС поляризации 
зависит от разности концентраций электролита между электродами и в 
порах активной массы электродов.

Уменьшение напряжения на линейном участке связано со сниже
нием плотности электролита, которая изменяется линейно. К концу 
разряда происходит закупорка пор активного вещества электродов, их 
сопротивление увеличивается, и напряжение резко снижается. Аккумуляторные батареи разряжаются до напряжения, соответствующего 
перегибу разрядной характеристики; дальнейший разряд вреден для 
аккумулятора и его эксплуатация не имеет смысла.

1.1. СТАТИЧЕСКАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ 

АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

Проблеме математического описания ХИТ в статических режимах 

посвящено достаточно много работ [7; 9; 12; 14 и др.]. В них используются различные способы аппроксимации разрядно-зарядных характеристик аккумуляторов. В основном для этого применяются аппроксимирующие уравнения Пейкерта и Шеферда [12].

При этом параметры и коэффициенты модели АБ определяются 

экспериментальным путем [7]. На рис. 1.1 пунктирными линиями показаны расчетные кривые, приведенные в [14]. В других работах, например, [5; 12], получена лучшая сходимость результата, но уравнения, описывающие зарядно-разрядные характеристики ХИТ, являются 
слишком громоздкими для практического использования.

Для уточнения описания и получения математической модели ХИТ 

в данной работе предлагается аппроксимировать разрядные характеристики химического источника тока отрезками прямых линий, как показано на рис. 1.2. Начальному участку кривых соответствует семейство 
прямых линий А, прямолинейному – семейство В и конечному – семейство С.

Аналитически эти прямые могут быть представлены в виде сле
дующих уравнений:

– для семейства А

0
0
(
);
I
U
U
K
q
q



(1.1)

– для семейства В

01
0
(
),
I
U
U
K
q
q



(1.2)

где KI – угловой коэффициент, зависящий от тока разряда; q – текущее 
значение разрядной емкости; U0, U01, q0 – постоянные коэффициенты, 
определяющие координаты точек пересечения семейства прямых А и В.

В уравнениях (1.1) и (1.2) зависимости KI от тока разряда аппрок
симируются прямыми линиями (рис. 1.3):

– для семейства А

0
;
I
A
K
K
K i


(1.3)

– для семейства В

01
,
I
B
K
K
K i


(1.4)

где K0, K01, KА, KВ, – коэффициенты, постоянные для данного ХИТ.

Переход от семейства прямых линий А к семейству В происходит 

при достижении разрядной емкостью значения

п
п0
пВ
q
q
K
i


,

линейно зависящего от тока разряда (рис. 1.4).

Рис. 1.2. Разрядные характеристики аккумулятора. Кривые 1, 2, 3, 4 получены при разрядных токах, 

численно равных Qн, 0,5Qн, 0,125Qн, 0,01Qн соответственно

8

0
0,2
0,4
0,6
0,8
1

i

0,2

0,4

0,6

I
K

а

0
0,2
0,4
0,6
0,8
1

i

б)

0,2

0,4

0,6

I
K

б

Рис. 1.3. Зависимость углового коэффициента 

от тока разряда:

а – для семейства А; б – для семейства В

Разрядные характеристики семейства С представляют собой пря
мые линии, исходящие из точки с координатами q02, U02. Уравнение 
этого семейства имеет вид, аналогичный (1.1) и (1.2):

02
02
(
)
IC
U
U
K
q
q



,

где KIC – коэффициент наклона разрядных характеристик семейства С, 
нелинейно зависящий от тока разряда (рис. 1.5). 

0
0,2
0,4
0,6
0,8
1

i

0,1

п
q

п0
q
0,2

Рис. 1.4. Зависимость емкости переключения 

от тока разряда

0
0,2
0,4
0,6
0,8
1

2

4

6

IC
K

i

Рис. 1.5. Изменение коэффициента наклона 

разрядных характеристик семейства С

Переход от семейства В к семейству С осуществляется при значе
ниях отданной аккумулятором емкости qп1, которая может быть представлена линейной зависимостью от тока разряда (рис. 1.6)

п1
п
п
с
с
q
q
K i


.

По приведенным выше уравнениям может быть составлена 

структурная схема химического источника тока в режиме разряда 
(рис. 1.7).

Доступ онлайн
22 ₽
В корзину