Адаптивная электромеханическая трансмиссия Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Адаптивная электромеханическая трансмиссия

И.К. Александров, профессор Вологодского государственного технического университета (ВоГТУ), д.т.н.

Рассмотрена система автоматического регулирования, обеспечивающая адаптивные свойства энергетической силовой установки транспортных средств с электромеханической трансмиссией.

Ключевые слова: адаптивная трансмиссия, гибридная силовая установка, оптимизация работы ДВС.

В работах [1-7] рассматриваются вопросы энергетической эффективности применения адаптивных трансмиссий (АТ) на машинных агрегатах, в первую очередь на транспортных средствах (ТС), основной энергетической установки которых является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Показано, что энергетическая эффективность применения АТ обеспечивается ее способностью корректировать свое передаточное отношение при изменении внешней нагрузки с целью стабилизации работы и исключения неустановившихся наиболее неэффективных режимов ДВС. Стабилизация режимов существенно снижает расход углеводородного топлива на единицу полезной работы, что пропорционально уменьшает количество вредных выбросов в окружающую среду.

Очевидно, что при традиционном применении ДВС на ТС без внедрения прогрессивных технологий невозможно достичь норм выброса вредных веществ, соответствующих

европейским стандартам Евро-4 и Евро-5. Одним из наиболее эффектив-ныхи достаточно простореализуемым методом является представленная ниже адаптивная электромеханическая трансмиссия (АЭТ).

Электромеханическая трансмиссия получает все большее распространение. В частности, ее достаточно давно применяют на карьерных самосвалах БЕЛАЗ [8], а также на железнодорожном транспорте и тракторах промышленного назначения. Развитие этих трансмиссий получило новый импульс с появлением в последние годы на автомобильном транспорте гибридных энергетических установок («Ниссан», «Ауди», «Тойота», «Лексус» и др. [9,10]).

Основным преимуществом электромеханической трансмиссии является стабилизация мощности в электрической цепи генератор тока - двигатель мотор-колеса. Кроме того, благодаря высокой приспособляемости электрической энергоустановки к нагрузке многократно

упрощается передаточный механизм (он может быть вообще исключен при использовании мотор-колеса прямого действия). Другое существенное преимущество электропривода - возможность рекуперации энергии торможения ТС в накопитель (аккумулятор) для последующего ее использования в транспортном процессе.

Адаптивные возможности электромеханической трансмиссии иллюстрирует схема (рис. 1), на которой выделены два блока: дизель-генераторная установка I и мотор-колесо II. Второй блок включает тяговый электродвигатель и движитель (колесо). Благодаря использованию тягового электродвигателя с мягкой механической характеристикой, представляющей собой гиперболическую функцию частоты ш1 (0 вращения от нагрузочного (внешний) момента М1 (0, достигается стабилизация электрической мощности в цепи генератор тока - двигатель мотор-колеса, что обеспечивает работу дизель-генераторной установки в заданном

Гибридные автомобили

мощностном диапазоне практически в стационарных нагрузочном и скоростном режимах.

Однако обычная электромеханическая трансмиссия имеет два существенных недостатка:

• не обеспечивает максимального использования ДВС на его внешней скоростной характеристике;

• не обладает возможностью рекуперации механической энергии, возникающей в системе при торможении транспортного средства или при его движении под уклон.

Проведенные нами исследования троллейбусов [11] показали, что объем рекуперируемой энергии на электрифицированных транспортных средствах в реальных условиях эксплуатации может достигать 30...40 %. Указанные недостатки исключаются при использовании АЭТ.

В Вологодском ГТУ разработана и запатентована система управления [12], обеспечивающая оптимизацию режима работы ДВС на гибридной силовой установке (ГСУ). Как известно, ГСУ включает четыре основных компонента: основную энергетическую установку (ДВС); генератор электрической энергии; накопитель электрической энергии; тяговый электродвигатель, приводящий в действие движитель (колесо) ТС.

Поскольку в данном случае ДВС является единственным источником энергии транспортного средства, то оптимизация его (ДВС) работы определяет энергетическую эффективность ТС в целом. Минимизация расхода топлива достигается при устойчивой работе ДВС на внешней скоростной характеристике [1-7]. Это условие выполняется благодаря автоматической системе регулирования (АСР) первого блока гибридной силовой установки ДВС - генератора электрической энергии. Минимальный расход топлива обеспечивается автоматическим регулированием режима работы ДВС

на основе обратных связей с элементами силовой установки, включающей генератор переменного тока, выпрямитель, управляемый аккумулятор электрической энергии, электродвигатель со своей системой управления.

Принцип действия АСР, управляющей работой ДВС, следующий. Сигнал первой обратной связи, равный разности заданной и действительной частот вращения, усиливают и подают на вход управления током возбуждения генератора переменного тока, изменяют его электромагнитный момент, приводя последний в соответствие с моментом, развиваемым ДВС. Одновременно измеряют сигнал второй обратной связи (напряжение на выходе накопителя энергии), который сравнивают с двумя предварительно установленными значениями. При отклонении измеренного напряжения от установленного вырабатывается сигнал либо на отключение ДВС, если напряжение превышает верхнее заданное значение, либо на включение ДВС, если напряжение становится ниже заданного значения.

Таким образом, обеспечивается работа ДВС в повторно-кратковременном режиме при неизменной заданной нагрузке (мощность) и

максимальном включении топливо-подающего рабочего органа (ТПРО), то есть в периоды включения ДВС выдерживается его работа только на внешней скоростной характеристике.

Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства (рис. 2), которое содержит следующие элементы: задатчик 7 положения ТПРО с выходным сигналом М; преобразователь 2 положения ТПРО в сигнал задания угловой частоты шзад вращения вала ДВС; сравнивающее устройство 3 с выходным сигналом Дш, равным разности шзад и действительной угловой частоты ш вращения вала ДВС 4; генератор 5 переменного тока; выпрямитель 6; преобразователь 7 разности заданной и действительной угловых частот вращения вала ДВС в соответствующий ток возбуждения генератора переменного тока; датчик 8, включающий датчик частоты 8.7 напряжения на выходе генератора 5 и датчик величины 8.2 напряжения на выходе выпрямителя 6; систему 9 управления током зарядки аккумуляторной батареи 70; систему 77 управления электрическим двигателем, включающую силовой преобразователь 77.7 со своей системой 77.2 управления, имеющей на входе сигнал И2 водителя;

Рис. 2. Структурная схема автоматической системы управления ДВС гибридной силовой установки

электрический двигатель 12; преобразователь 13 частоты напряжения на выходе генератора в сигнал угловой частоты вращения ш вала ДВС; двухуровневый компаратор 14, преобразующий сигнал на его входе в команду на отключение или включение ДВС и системы 9 управления током зарядки аккумуляторной батареи.

Устройство работает следующим образом. Частота вращения шд и крутящий момент Мд ДВС 4, соответствующие его минимальному расходу топлива, определяются путем задания частоты вращения на входе системы управления генератором 5 переменного тока. Можно задавать любые значения шд и Мд, определяемые внешней скоростной характеристикой, но наиболее рациональными в отношении топливной экономичности являются режимные параметры, соответствующие максимальному эффективному моменту ДВС. При отклонении частоты вращения от заданной изменяется напряжение на выходе генератора, что приводит к регулированию его тока возбуждения за счет обратной связи по цепи 8.1 - 13 - 3 - 7.

Включение и отключение ДВС 4 и системы управления 9 током в зависимости от уровня заряда батареи 10 осуществляются за счет второй обратной связи по цепи 8.2 - 14 - 9.

Изменение крутящего момента М2, обусловленное изменением дорожных условий или командой водителя (сигнал И2), на валу электродвигателя 12, приводящего в движение ведущие колеса (движитель), а также длительное движение с постоянным крутящим моментом вызывают изменение энергии, потребляемой двигателем 12 от аккумулятора 10, и изменение напряжения на выходе последнего. В случае превышения верхнего уровня установленного напряжения, что свидетельствует о полной зарядке аккумулятора, релейный элемент 8.2 выдает сигнал для отключения ДВС.

Рис. 3. Характеристики дизеля с всережимным регулятором ТНВД: 1 - внешняя характеристика по эффективному моменту Мд (ю); 2 и 3 - соответственно граничные значения эффективного момента и удельного расхода топлива при работе с АСР; 4 - внешняя характеристика по удельному расходу топлива qв (ю); 5 - регуляторные ветви характеристик по эффективному моменту; 6 - регуляторные ветви характеристик по удельному расходу топлива

В это время система автоматического управления электрическим двигателем питается только от аккумуляторной батареи, расходуя накопленную ею энергию, что приводит к снижению напряжения в электрической цепи.

Таким образом, рассмотренные способ и устройство способствуют оптимизации работы ДВС при изменяющемся крутящем моменте на валу приводного электрического двигателя при практически неизменном положении ТПРО ДВС, что обеспечивает работу последнего на части регуляторной ветви вблизи внешней скоростной характеристики (рис. 3). В этом случае условия работы ДВС аналогичны условиям при использовании адаптивной гидромеханической трансмиссии [6]. Рабочий интервал регулирования определяется величиной Дш, где удельный расход топлива близок к минимальному, а частота вращения вала и мощность ДВС квазипостоянны. Иными словами, исключается работа ДВС на переходных режимах при непрерывно изменяющемся крутящем моменте на движителе.

Принципиальной особенностью данной АСР по сравнению со способом

стабилизации, предложенным в работе [6], является то, что квазипостоянный режим работы ДВС обеспечивается не автоматической поднастройкой параметров трансмиссии, а автоматическим поддержанием постоянной мощности, отбираемой от генератора электрической энергии. Такая система обладает большими надежностью и быстродействием.

Недостатком автоматической системы регулирования является то, что при наличии способности обеспечивать стабилизацию работы ДВС на внешней скоростной характеристике в ней отсутствует подсистема управления рекуперацией энергии торможения в накопитель электрической энергии с последующим ее использованием для транспортного процесса. Решению этой проблемы посвящены разработки, которые будут представлены в следующих публикациях.

Опыт эксплуатации электромеханических трансмиссий на большегрузных карьерных самосвалах (БЕЛАЗ и др.) показал, что работа энергоустановки в режиме постоянной мощности повышает топливную экономичность дизеля на 15...20 %.

Гибридные автомобили

Ii

^Ooui.^*

С учетом этого перевод ДВС в стационарный режим на внешней скоростной характеристике с использованием представленного способа будет еще более эффективным.

Известно, что в настоящее время при эксплуатации транспортных и тяговых машин максимальная мощность ДВС реализуется всего лишь на 30...35 %. При этом двигатель работает на частичных характеристиках с удельным расходом топлива, в несколько раз превышающим минимальный, который реально достигается только во время стендовых испытаний ДВС при его работе на внешней скоростной характеристике. Адаптивные трансмиссии, исключающие работу ДВС на частичных характеристиках, при использовании ГСУ позволят понизить удельный расход топлива на ТС приблизительно в 2-3 раза по сравнению с традиционными транспортными средствами, не оборудованными АСР.

Литература

1. Александров И.К. ДВС и адаптивная трансмиссия // Вестник машиностроения.

- 2007. - № 2. - С. 8-11.

2. Александров И.К. Адаптивные трансмиссии - путь к созданию экономичных АТС // Автомобильная промышленность. - 1996. - № 2. - С. 17-19.

3. Александров И.К. Адаптивные трансмиссии - путь к созданию экономичных машинных агрегатов и транспортных средств // Техника в сельском хозяйстве. - 1997.

- № 5. - С. 27-30.

4. Александров И.К. Совершенствование сельскохозяйственных машин и агрегатов на основе энергетического анализа: дис. ... д-ра техн. наук. - СПб., 1993.

5. Александров И.К. Энергетический анализ и пути снижения энергоемкости машинных агрегатов. - Вологда: Сев.-Двинское отдел. Инженер. академии РФ, 1993. - 198 с.

6. Патент 2070649 С1 РФ, МКИ 6 F 02 D 45/00, В 60 К 41/16. Способ стабилизации минимального удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания и устройство для его осуществления / И.К. Александров, Е.В. Несговоров // Б.И. - 1996. - № 35.

7. Александров И.К. Основные положения энергетического анализа машин: Учебное пособие. - Вологда: ВоПИ, 1999. - 73 с.

8. Викторов В. БелАЗ-75502 //Автомобильный транспорт. - 1989. - № 2.

9. Златин П.А., Кеменов В.А., Ксеневич И.П. Электромобили и гибридные автомобили. - М.: Агроконсалт, 2004. - 416 с.

10. Гибридные автомобили и их компоненты (обзор зарубежной печати) // Мобильная техника. - 2003. - № 1-3.

11. Научно-техническое обоснование энергетического баланса в системе генератор-накопитель энергии - двигатель гибридного привода на основании исследований ездового цикла троллейбуса. Научно-исследовательская работа по заказу ОАО «ТрансАльфа» / И.К. Александров, Е.В. Несговоров, В.А Раков. - Вологда, 2008. - 78 с.

12. Патент 2338081 С1 РФ, МПК F 02 D 17/04, F 02 D 41/30. Способ стабилизации минимального удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания транспортного средства с электромеханической трансмиссией и устройство для его осуществления / И.К. Александров, Е.В. Несговоров // Б.И. - 2008. - № 31.

Требования по подготовке статей к опубликованию в журнале

В связи с тем, что Международный научно-технический журнал Национальной газомоторной ассоциации «Транспорт на альтернативном топливе» включен в Перечень ВАКа, просьба ко всем авторам строго выполнять следующие требования при подготовке статей к публикации:

1. Все научно-технические статьи должны иметь на русском и английском языках следующие составляющие:

заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, ученая степень (при наличии), контакты (e-mail, телефоны), аннотации, ключевые слова.

2. Все английские тексты следует набирать только строчными буквами, сохраняя начальные прописные буквы в именах собственных.

3. Авторы остальных публикаций (информационных, рекламных и т.д.) представляют на русском и английском языках: заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, адрес и контакты (e-mail, телефоны).

Материалы статей должны быть представлены по электронной почте в программе WinWord. Объем статьи - не более 14 400 знаков с пробелами.

Представленный текстовый материал с иллюстрациями и таблицами должен иметь сквозную нумерацию. Графический материал должен быть выполнен в формате, обеспечивающем ясность всех деталей рисунков. Формулы и символы должны быть четкими и понятными. Все обозначения в формулах необходимо расшифровать. Нумеруются только те формулы, на которые сделаны ссылки в тексте. Обозначения физических величин и единиц измерений необходимо давать в Международной системе единиц (СИ). Обязательно соблюдение действующих

ГОСТов. Текст, таблицы и графические рисунки должны быть выполнены в программе Word в формате doc, rtf. Фотографии (не менее 300 dpi, CMYK) - в формате jpg, jpeg, tiff, pdf. Отдельно необходимо представить список подрисуночных подписей. Не следует форматировать текст самостоятельно.

При пересылке материалов по е-mail следует сопровождать их пояснительной запиской (от кого, перечень файлов и т.д.). Объемные файлы должны быть заархивированы. При подготовке статей к печати необходимо руководствоваться документами, определяющими правила передачи информации через СМИ. Авторский коллектив должен указать ответственное лицо, с которым редакция будет вести переговоры в процессе подготовки статьи к изданию. В список литературы включаются источники, на которые есть ссылки в статье. Ссылаться можно только на опубликованные работы. Список литературы составляется в порядке употребления. В нем приводятся следующие сведения: фамилия и инициалы авторов, название работы; для журнала - название, год издания, номер, страницы, на которых размещена статья; для книг - место и год издания, издательство, общее число страниц. Редакция оставляет за собой право редакторской правки и не несет ответственности за достоверность публикации. Все внесенные изменения и дополнения в представленную к изданию статью согласовываются с автором или представителем авторского коллектива.

Редакция оставляет за собой право размещать опубликованные статьи на сайтах журнала и Национальной газомоторной ассоциации. Редакция не передает и не продает материалы для публикации в других печатных и электронных изданиях без согласования с автором (представителем авторского коллектива).