Комбіновані системи енергоживлення автономних електротранспортних засобів - Автореферат

Однак, відомі дослідження, існуючі методи та засоби підвищення ефективності КСЕЖ АЕЗ здебільшого стосуються окремих компонентів таких систем і не завжди забезпечують підвищення ефективності систем в цілому, що стримує розвиток автономного електротранспорту. З цього випливає необхідність подальшого розвитку наукових досліджень енергетичних показників систем енергоживлення на основі системного аналізу транспортних електроприводів, розвитку методології раціональної побудови КСЕЖ АЕЗ, методів та засобів управління елементами таких систем, що забезпечить зменшення питомих енерговитрат та шкідливих викидів в атмосферу, збільшення корисного пробігу між зарядами тягового джерела (для ЕМ), покращення експлуатаційних, надійнісних та ергономічних показників автономного електротранспорту. Під час виконання перерахованих робіт автором були обґрунтовані задачі дослідження та розроблена методологія оптимальної побудови систем енергоживлення автономних електротранспортних засобів. Досягнення зазначеної мети вимагає вирішення таких задач: · розробки методу визначення оптимальних, з точки зору енергоефективності, параметрів елементів комбінованих систем енергоживлення автономних електротранспортних засобів; Розроблено новий метод визначення параметрів елементів комбінованих систем енергоживлення автономних електротранспортних засобів, при якому, виходячи з повних витрат енергії КСЕЖ АЕЗ для необхідного циклу руху, з урахуванням питомих показників джерела живлення та його розрядних характеристик, а також стратегії керування визначаються раціональні, з точки зору енергоефективності, параметри основних елементів таких систем.Система енергоживлення АЕЗ являє собою електротехнічний комплекс (рис.1), базовими складовими якого є джерело живлення (ДЖ) (воно може бути як однокомпонентним - АБ у ЕМ, так і багатокомпонентним - КТЗ на базі ДВЗ або електрохімічного генератора (ЕХГ)), блок силових перетворювачів (СП) (у загальному випадку це перетворювачі тягового електроприводу (ТЕП), зарядних пристроїв (ЗП), вторинних джерел живлення (ВДЖ) тощо), система управління (СУ) та тяговий електродвигун (ТЕД). Управління цією системою виконується опосередковано - діями на блок перетворювачів, які, в свою чергу, забезпечують енергообмін між джерелом живлення та активним, тобто таким, що споживає та генерує енергію, компонентом навантаження - тяговим електродвигуном. Були отримані залежності ККД окремих елементів та СЕЖ в цілому від параметрів керування та навантаження, та були визначені рекомендації щодо оптимального, з точки зору загального ККД СЕЖ, управління такими системами. В роботі проаналізовані існуючі методи визначення параметрів схеми заміщення АБ і зроблено висновок, що існуючі модифікації імпульсного методу не забезпечують точного визначення необхідних параметрів хімічних джерел струму високої енергоємності, а методи змінного струму не дають можливості визначити залежність поляризаційного опору від струму і є досить трудомісткими в реалізації на практиці. Отримані експериментальні залежності для RA, RП, СП та ЕАБ були апроксимовані аналітичними виразами: RA = KA1 KA2 (T) (KA3 D), RП=(КП1 0,53(1-D))(1-(ln(I))/КП2), ТП = КС1 (1 0,64(1-D) KC2I, Е= 1,71 0,16 exp ((1-D)/0,07) 0,03D, де KA1, KA3, КП1, КП2, КС1, КС2 - сталі величини; KA2 (T) - коефіцієнт, що характеризує залежність від температури; D - ступінь заряду батареї (СЗБ).Отримані результати в сукупності забезпечують розвязання важливої науково-прикладної проблеми - підвищення енергетичної ефективності комбінованих систем енергоживлення автономних електротранспортних засобів і полягають в наступному. Показано, що зменшення енергоспоживання, покращення надійнісних та ергономічних показників АЕЗ можна досягти при комплексному вирішенні наступних задач: раціональному виборі елементів системи; застосуванню ефективних методів та засобів управління такими системами та забезпеченню умов раціонального енергообміну в них. Запропоновано метод визначення параметрів схеми заміщення акумуляторної батареї автономного електротранспортного засобу, який дає змогу адекватно оцінити величину реактивних компонентів схеми заміщення АБ при її навантаженні на імпульсний силовий перетворювач, що має місце у будь-якій комбінованій системі енергоживлення АЕЗ. Проаналізовано енергетичні показники системи тягового приводу ЕМ постійного струму з урахуванням нелінійності внутрішнього опору АБ та індуктивності тягового двигуна, що дозволило визначити оптимальні, з точки зору максимального ККД системи, параметри управління такою системою.

2. Основний зміст роботи

Дисертаційна робота присвячена подальшому розвитку теорії побудови високоефективних комбінованих систем енергоживлення автономних електротранспортних засобів за рахунок системного підходу до аналізу енергетичних показників таких систем, розробки принципів їх раціональної побудови і використання нових методів та засобів управління ними.

Отримані результати в сукупності забезпечують розвязання важливої науково-прикладної проблеми - підвищення енергетичної ефективності комбінованих систем енергоживлення автономних електротранспортних засобів і полягають в наступному.

1. Виконано порівняльний аналіз існуючих методів підвищення ефективності функціонування комбінованих систем енергоживлення автономних електротранспортних засобів. Показано, що зменшення енергоспоживання, покращення надійнісних та ергономічних показників АЕЗ можна досягти при комплексному вирішенні наступних задач: раціональному виборі елементів системи; застосуванню ефективних методів та засобів управління такими системами та забезпеченню умов раціонального енергообміну в них.

2. Запропоновано метод визначення параметрів схеми заміщення акумуляторної батареї автономного електротранспортного засобу, який дає змогу адекватно оцінити величину реактивних компонентів схеми заміщення АБ при її навантаженні на імпульсний силовий перетворювач, що має місце у будь-якій комбінованій системі енергоживлення АЕЗ.

3. Проаналізовано енергетичні показники системи тягового приводу ЕМ постійного струму з урахуванням нелінійності внутрішнього опору АБ та індуктивності тягового двигуна, що дозволило визначити оптимальні, з точки зору максимального ККД системи, параметри управління такою системою.

4. Розроблено класифікацію сучасних автономних електротранспортних засобів за ознакою їх “екологічної еволюції” від автомобіля до “чистого” електромобіля.

5. Сформульовано та обґрунтовано головні положення нового методу визначення параметрів елементів комбінованих систем енергоживлення автономних електротранспортних засобів, що дозволяє ще на етапі проектування визначити оптимальні параметри основних компонентів таких систем

6. Розроблено методи та засоби керування елементами систем енергоживлення комбінованих транспортних засобів на базі двигуна внутрішнього згоряння, що дозволяють досягти максимальних енергоефективності, екологічності та паливної економічності таких транспортних засобів.

7. Систематизовано вимоги до функціонування систем управління акумуляторними батареями АЕЗ. Запропоновано метод визначення ступеня заряду акумуляторної батареї за допомогою довідкових таблиць та метод визначення кількості циклів заряд - розряд АБ на основі підрахування відємних змін значення СЗБ, на базі яких була створена система управління АБ АЕЗ, в якій враховуються всі фактори експлуатації та зберігання батареї. Крім того, ці методи дали змогу підвищити точність та спростити процес підтримання ступеня заряду батареї у заданих межах, що є необхідним для виконання того, чи іншого методу управління комбінованими системами енергоживлення автономних електротранспортних засобів.

8. Розроблено метод моделювання процесу виникнення та розповсюдження кондуктивних електромагнітних завад у системах енергоживлення автономних електротранспортних засобів та спосіб зменшення впливу різних видів завад на елементи таких систем.

9. Використання запропонованих в роботі теоретичних положень дозволило створити високоефективні системи енергоживлення комбінованих електромобілів на основі двигуна внутрішнього згоряння та на основі електрохімічного генератора.

10. Запропоновано метод визначення ефективності двозонного регулювання привода постійного струму АЕЗ та розроблено алгоритм, який дозволяє моделювати можливі зміни в законах руху АЕЗ в залежності від зміни параметрів машини та умов руху з урахуванням позитивного зворотного звязку за швидкістю у другій зоні регулювання привода постійного струму з тяговим двигуном з незалежним збудженням.

11. Запропоновано транзисторний широтно-частотний регулятор, який має просте схемотехнічне рішення; забезпечує реалізацію високоефективного, з точки зору енергетичних показників тягового привода, регулювання з усталеними пульсаціями струму двигуна; є універсальним - може використовуватись як силовий транзисторний перетворювач у транспортних системах електроживлення (до 100В та до 6 КВТ), а також як система управління тяговими тиристорними перетворювачами без будь-яких обмежень.

12. Запропоновано пристрій для моніторингу та фіксації параметрів системи енергоживлення комбінованого електромобіля, який дає змогу здійснити контроль поточного стану тягових акумуляторних батарей, визначення абсолютних та питомих показників споживання та витрат енергії у таких системах.

13. Розроблено силове стендове обладнання, що складається з незалежного джерела живлення, засобів перетворення, управління та вимірювання енергобалансу дозволяє проводити широкий перелік експериментальних досліджень та випробувань з достатньою точністю відтворення особливостей руху та навантажень транспортних засобів.

14. Результати досліджень є досить універсальними і можуть бути застосовані при проектуванні більшості із існуючих автономних електротранспортних засобів.

1. Юрченко Н. Н., Юрченко О. Н. Системы электропитания бортовых технологических установок, работающих в космосе / Ин-т электродинамики НАН Украины. - К.: Евроиндекс, 2001. - 144 с. - Библиогр.: с. 136 - 141.

2. Бойко П. С., Юрченко О. М., Павлов В.Б., Павленко В. Є. Пристрій для моніторингу та фіксації параметрів системи електроживлення гібридного електромобіля: Збірник наукових праць. - Київ: ІЕД НАН України, 2005. - №3(12).- С. 29 - 33.

3. Волков И.В., Павлов В.Б., Скиданов В.М., Юрченко О.Н. Концепция и средства контроля емкости аккумуляторных батарей // Технічна електродинаміка.- 1998.- №3.- С.33-36.

4. Волков И.В., Павлов В.Б., Скиданов В.М., Юрченко О.Н. Реверсивный счетчик ампер-часов для стационарных и тяговых аккумуляторных батарей // Технічна електродинаміка.- 1998.- №3.- С.32.

5. Овчаренко А.А., Юрченко О.Н., Скиданов В.М., Павлов В.Б., Рычков В.А. Анализ работы транзисторного импульсного преобразователя // Техническая электродинамика.- 1994.- №2.- С.42-45.

6. Павлов В. Б., Мостовяк І. В., Юрченко О. М.. Метод визначення ефективності двозонного регулювання привода постійного струму електромобіля // Технічна електродинаміка. - Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність”. - 2003.- Ч. 4. - С. 74 - 77.

7. Павлов В. Б., Мостовяк І. В., Юрченко О. М.. Дослідження ефективності двозонного регулювання швидкості електромобіля з приводом постійного струму // Технічна електродинаміка. - Тематичний випуск “Проблеми сучасної електротехніки”. -2004.- Ч. 2.- С. 101 - 104.

8. Павлов В.Б., Скіданов В.М., Юрченко О.М. Спосіб двозонного управління перетворювачами у транспортних електроприводах з позитивним зворотним звязком по швидкості // Технічна електродинаміка.- 1998.- №6.- С.34-38.

9. Павлов В.Б., Юрченко О.М. Аналіз балансу енергії двох режимів руху електромобіля: Збірник наукових праць. - Київ: ІЕД НАН України, 2002. - №3(3).- С. 77 - 80.

10. Павлов В. Б., Юрченко О. Н.,Павленко В. Е., Попов А. В. Современные системы энергообеспечения электротранспортных средств с автономными источниками питания // Технічна електродинаміка. - Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність”. -2005.- Ч. 3. - С. 44 - 45.

11. Рычков В.А., Павлов В.Б., Скиданов В.М., Юрченко О.Н., Овчаренко А.А. Эффективный преобразователь для низковольтного электротранспорта // Энергетика и электрификация.- 1992.- №4.- С.49-51.

12. Рычков В.А., Овчаренко А.А., Юрченко О.Н., Павлов В.Б., Скиданов В.М. Низковольтный импульсный преобразователь напряжения // Техническая электродинамика.- 1993.- №4.- С.27-31.

13. Шидловська Н. А., Павлов В. Б., Юрченко О. М.. Аналіз енергетичних показників системи електроживлення електромобіля з урахуванням нелінійних елементів: Збірник наукових праць. - Київ: ІЕД НАН України, 2004. - №3(9).- С. 19 - 24.

14. Шидловский А.К., Павлов В.Б., Скиданов В.М., Юрченко О.Н. Сравнительный анализ систем тяговых приводов электромобилей: Збірник наукових праць. - Київ: ІЕД НАН України, 1999. - №1.- С. 53 - 64.

15. Шидловський А.К., Павлов В.Б., Скіданов В.М., Юрченко О.М. Концепція побудови автономних транспортних систем енергоживлення з засобами силової електроніки // Технічна електродинаміка. Спеціальний випуск 2. - 1998.- Т.2.- С.47-50.

16. Шидловский А. К., Павлов В. Б., Юрченко О. Н. Гибридный электромобиль // Технічна електродинаміка. - Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність”. - 2001.- Ч. 2. - С. 21 - 28.

17. Шидловський А. К., Павлов В. Б., Юрченко О. М. Перший український гібридний електромобіль // Технічна електродинаміка. - Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність”. - 2003.- Ч. 3. - С. 25 - 26.

18. Шидловский А.К., Скиданов В.М., Павлов В.Б., Юрченко О.Н. Энергетические показатели систем автономного электропривода с комбинированным широтно-импульсным регулятором // Техническая электродинамика.- 1989.- №3.- С.31-37.

19. Шидловський А.К., Скіданов В.М., Павлов В.Б., Юрченко О.М. Дослідження ефективності рекуперативного гальмування електромобіля // Технічна електродинаміка.- 1998.- №1.- С.22-30.

20. Шидловский А.К., Юрченко О.Н., Скиданов В.М., Павлов В.Б. Анализ энергетических показателей источника вторичного электропитания для низковольтных потребителей транспортных средств // Техническая электродинамика.- 1989.- №4.- С.27-31.

21. Юрченко О. М., Герасименко П. Ю. Визначення стану заряду джерел живлення автономних електротранспортних засобів: Збірник наукових праць. - Київ: ІЕД НАН України, 2007. - №2(17).- С. 73 - 80.

22. Юрченко О. М., Павлов В. Б. Метод визначенні встановленої енергоємності тягової акумуляторної батареї електромобіля // Технічна електродинаміка. - 2002. - №2. - С. 52 - 55.

23. Юрченко О. М., Павловський В.О.,Твердохліб Ю. О. Електромагнітна сумісність в автономних електротранмпортних засобах// Технічна електродинаміка. - Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність”. - 2007.- Ч.2. - С. 103-106.

24. Юрченко О. М. Метод визначення параметрів компонентів систем енергоживлення автономних комбінованих електротранспортних засобів // Технічна електродинаміка. - Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність”. - 2006.- Ч. 2. - С. 111-115.

25. Юрченко О. М. Особливості роботи двигунів внутрішнього згоряння в складі комбінованих енергоустановок гібридних електромобілів: Збірник наукових праць. - Чернігів: Чернігівський Державний технологічний університет, 2005. - № 25. - С.51 -61.

26. Юрченко О.М. Способи керування системами енергоживлення комбінованих автономних електротранспортних засобів // Технічна електродинаміка. - 2007.- №1.- С. 47-51.

27. Электропривод постоянного тока: А.с. 1610587 СССР. МКИ H 02 P 5/16. / В.Б. Павлов, В.А. Рычков, В.М. Скиданов, О.Н. Юрченко, А.В. Андрияшев- №4611066/24; Заявл. 31.10.88; Опубл. 30.11.90, Бюл. №44.- 3с.

28. Устройство для управления электродвигателем постоянного тока: А.с. 1653116 СССР, МКИ H 02 P 5/16. / В.Б. Павлов, В.М. Скиданов, О.Н. Юрченко (СССР). - №4702733/07; Заявл. 06.06.89; Опубл. 30.05.91, Бюл. №20.- 3с.

29. Пат. 46315 А, Україна, МПК6Н 01 М 10/46, Н 02 Р 9/00. Система електроживлення гібридного електромобіля / А. К. Шидловський, В. Б. Павлов, О.М. Юрченко. - Заявл. 18.06.01; Опубл. 15.05.02, Бюл. № 5.

30. Пат. № 47021А,Україна, МПК В60К1/100. Електроцикл / В. Б. Павлов, О. М. Юрченко, Ю. О. Твердохліб, В. А. Запольський, В. Є. Павленко. - Заявл. 18.06.01; Опубл. 17.06.02, Бюл. № 6.

31. Пат. 60493 А, Україна, МПК6 H02J7/00, Н02Р9/00, Н01М10/46. Система електроживлення гібридного електромобіля / А. К. Шидловський, В. Б. Павлов, О. М. Юрченко. - Заявл. 17.10.02; Опубл. 15.10.03, Бюл. № 10.

32. Пат. № 65251 А, Україна, МПК Н02Р9/00,Н02J7/00. Спосіб двозонного управління перетворювачами в транспортних електроприводах з позитивним зворотнім звязком по швидкості / В. Б. Павлов, І. В. Мостовяк, О.М. Юрченко, В.Є. Павленко. - Заявл. 25.06.03; Опубл. 15.03.04, Бюл. №3.

33. Пат. № 75459, Україна, МПК Н02Р7/00,G05B5/00. Пристрій регулювання та синхронізації швидкості обертання мотор-коліс електротранспортного засобу / Шидловский А.К., Сокіл Є.І., Павлов В. Б., Юрченко О. М. Павленко В. Е. - Заявл. 28.04.04; Опубл. 17.04.2006, Бюл. №4.