CC BY
148
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели.
да. Коэффициент ^ следует вводить в случае необходимости исследования движения по
грунтовым дорогам и в соответствии с указанными рекомендациями.
Таблица 1.
Шины (модель) В С1 С2 С3
Размерность 1/рад - 1/(кН-МПа) МПа
7,5-20 (В-103) 6 16,8 17,5 1,4
15,5Я38 (Ф-2А) - -5,4 24,5 1,8
9,0-16 (Я-324) - -37,5 31 4,7
Таким образом, имея математическое выражение для определения коэффициента увода (7) и численные значения коэффициентов, входящих в это выражение, можно проводить исследования устойчивости и управляемости самоходных машин, моделируя различные условия их движения без проведения дорогостоящих испытаний.
Литература.
1. Антонов Д. А. Теория устойчивости движения многоосных автомобилей. - М.: Машиностроение, 1978. - 216 с.
2. Бойков В. П., Белковский В. Н. Шины для тракторов и сельскохозяйственных машин. -М.: Агропромиздат, 1988. - 240 с.
3. Литвинов А. С. Управляемость и устойчивость автомобиля. М.: Машиностроение, 1971. -416 с.
4. Михайлин И.А. Выбор оптимальных углов установки управляемых колес и шкворней поворотных цапф трактора: Диссертация ... канд. техн. наук. - М., 2005. - 173 с.
Автоматическое управление гибридной силовой установкой полноприводного автомобиля
проф. Предигер В., проф. Хоффманн Й., Трентманн В., Костилев С., к.т.н., доц. Ломан Е.,
к.т.н., проф. Селифонов В.В., к.т.н. Карпухин К.Е., Баулина Е.Е.
Университет прикладных наук, Оснабрюк (Германия),
МГТУ «МАМИ» (Россия).
1. Введение
Современные двигатели автомобилей имеют достаточно высокую мощность для обеспечения динамичного и безопасного движения. Однако при движении в городе скорости ограничены, вследствие чего автомобиль должен идти с глубоким дросселированием двигателя на неэкономичных режимах, сопровождающихся повышенным расходом топлива. Непрерывное чередование фаз разгона и замедления приводит к тому, что 70% энергии топлива, затрачиваемой на накопление кинетической энергии автомобиля, теряется во время замедления автомобиля. На остановках автомобильные двигатели не глушатся, ДВС расходуют энергию, по сути, впустую, поэтому приоритетной задачей проектирования городских автомобилей является снижение количества выбросов вредных веществ и улучшение топливной экономичности. Данные направления представляется возможным объединить в общую задачу, т.к. уменьшение количества потребляемого топлива, необходимого для получения энергии движения автомобиля приводит соответственно к уменьшению количества вредных выбросов. Улучшение показателей топливной экономичности и снижения количества выбросов вредных веществ можно достичь внедрением таких конструкторских решений, как снижение массы, улучшение аэродинамических показателей, совершенствование конструкций трансмиссий и других узлов, связанное с уменьшением энергетических потерь (увеличение КПД), снижение циклических потерь энергии в процессе движения автомобиля (рекуперация энергии торможения), совершенствование существующих источников энергии, таких как традиционный ДВС, внедрение систем впрыска, улучшение экологических показателей и др.
Разработка автомобилей с ГСУ является самым рациональным путем решения проблемы загрязнения окружающей среды. В Московском государственном техническом универси-60 Известия МГТУ «МАМИ» № 1(7), 2009
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. тете "МАМИ" был создан опытный образец полноприводного, многоцелевого автомобиля с
Рис. 1. Опытная модель автомобиля УАЗ 3153.
Опытная модель автомобиля с ГСУ снабжена двигателем внутреннего сгорания УМЗ -4218.10 мощностью 50 кВт и обратимой асинхронной электрической машиной мощностью 35 - 50 кВт. Имеется единое приемно-распределительное устройство на основе раздаточной коробки УАЗ. В автомобиле реализован один из возможных вариантов ГСУ - с приводом от ДВС на задний мост и приводом от обратимой электрической машины - на передний мост. Накопителем энергии является комплект 12 V батарей общим напряжением 120 V. Требуемая мощность накопителя в режиме зарядки - не менее 40 кВт, в режиме разряда - не менее 50 кВт.
Главной задачей исследования является создание автоматических систем управления агрегатами и системами автомобиля с ГСУ. Эта задача включает в себя сбор и обработку результатов измерений [2, 3], необходимых для разработки алгоритма автоматического переключения режимов работы между ДВС и электродвигателем для их рационального использования и его реализацию, а также получения рациональных значений основных параметров обратимой электрической машины при работе в режиме генератора [4, 5, 6]. Для решения этой задачи разработан метод определения эксплуатационных показателей автомобиля с ГСУ и получения исходных параметров для разработки принципов и алгоритма выбора режимов работы автомобиля. Кроме того, разработан алгоритм регулирования генераторного режима работы электродвигателя с последующей его практической реализацией.
2. Определение эксплуатационных показателей и исходных параметров
В первую очередь следует определить все эксплуатационные показатели и исходные параметры, которые могут быть необходимыми для разработки алгоритма автоматического переключения режимов работы между ДВС и электродвигателем, и связанные с этим задачи по автоматическому управлению и техническому контролю соответствующих процессов.
2.1 Определение скорости
Одним из самых важных сигналов для выбора режима работы и управления процессами в автомобиле является его скорость. Для определения скорости автомобиля на валу спидометра установлен датчик скорости (№ 311.3843), сконструированный по принципу эффекта Холла. За один оборот вала спидометра датчик издает 6 прямоугольных импульсов, за это время опытный автомобиль проходит расстояние в 137,5 см.
2.2 Определение положения педали подачи топлива
В отличие от обыкновенного автомобиля с ДВС, в гибридном автомобиле нет нужды в педали подачи топлива, с помощью которой регулируется подача топлива и соответственно поддерживается нужная скорость движения. Но и в автомобиле с гибридной силовой уста-
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. новкой выбор желаемой скорости может происходить с помощью педали акселератора. По этой причине в опытном автомобиле УАЗ 3153 с ГСУ была разорвана механическая связь между педалью управления подачей топлива и дроссельным клапаном. Для того чтобы иметь возможность передавать в систему управления автомобилем данные о желаемой скорости, было необходимо вмонтировать потенциометр для определения положения педали акселератора электромобиля (рис. 2).
Рис. 2. Педаль Рис. 3. Определение положения рычага переключения
акселератора с скоростей.
потенциометром.
С помощью полученного таким образом сигнала осуществляется управление положением дроссельного клапана автомобиля УАЗ 3153 с ГСУ. Это происходит с помощью шагового электродвигателя [7], управляемого микроконтроллером ATmega16 (см. раздел 3.4). Режим управления был разработан на языке программирования С, с помощью пакета для разработки программ 'тАУЯ [8, 9].
2.3 Определение положения рычага переключения передач.
Плавное переключение режимов работы, а также безупречный запуск двигателя внутреннего сгорания можно обеспечить только в случае правильного выбора передачи скоростей. Поэтому необходимо, чтобы в систему управления автомобилем постоянно поступала информация о том, какая передача включена. По положению рычага управления коробкой передач можно получить и дополнительную информацию. Если, например, рычаг переключения передач длительное время находится в нейтральной позиции, система управления автомобилем может сделать вывод, что водитель хочет, чтобы автомобиль двигался накатом и от двигателя не требуется в настоящее время каких-либо усилий по приводу автомобиля.
Определение положения рычага переключения передач осуществляется с помощью индуктивного датчика приближения [10]. Для этого на рычаге переключения передач закреплен кронштейн с металлической пластинкой на конце (рис. 3). Ее положение регистрируется в зависимости от положения четырех передач переднего хода одним из четырех датчиков приближения. Для опознания заднего хода автомобиля используется сигнал фар заднего хода. 2.4 Параметры, необходимые для системы управления аккумуляторной батареей К параметрам, необходимым для получения информации о состоянии накопителя электрической энергии ГСУ, относятся следующие [11, 12]:
• электрическое напряжение накопителя энергии под нагрузкой;
• сила тока накопителя энергии как при питании тягового электродвигателя, так и при получении энергии от генератора;
• температура аккумуляторной батареи.
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели.
Понижение электрического напряжения аккумуляторной батареи до уровня, необходимого для обслуживания применяемых аналоговых измерительных приборов, осуществлено с помощью делителя напряжения. Определение силы тока аккумуляторной батареи происходит с помощью замера падения напряжения, пропорционального силе тока. С помощью интегрирования графика тока аккумуляторной батареи можно определить поступившее и использованное количество электрического заряда, и таким образом приблизительно оценить степень заряженности аккумуляторной батареи. Контроль температуры аккумуляторных батарей осуществляется двумя термоэлементами, установленными на их корпусах.
2.5 Воздействие на педаль тормоза
Педаль управления тормозами должна иметь две фазы хода. В первой фазе степень нажатия на педаль тормоза определяет степень тормозного воздействия на трансмиссионный вал генератора и при этом положении происходит рекуперация энергии торможения. /Во второй фазе хода педаль тормоза воздействует непосредственно на тормозную систему автомобиля, осуществляя интенсивное замедление вплоть до уровня экстренного торможения.
Для этого необходимо, чтобы система управления автомобилем идентифицировала факт внешнего воздействия на педаль тормоза. Для этого с правого тормозного фонаря с помощью делителя напряжения снимается сигнал о наличии электрического напряжения. Система управления автомобилем опознает факт внешнего воздействия на педаль тормоза, т.е. факт торможения, если электрическое напряжение на правом тормозном фонаре не равно нулю. Определение положения педали тормоза и соответственно силы торможения будет разработано в следующих проектах.
2.6 Обеспечение запаса вакуума для работы вакуумного усилителя тормозов в
тормозной системе
В автомобиле предусмотрена установка вакуумного ресивера, необходимое разряжение в котором обеспечивается вакуумным насосом с автоматическим включением.
Разряжение в вакуумном ресивере измеряется с помощью датчика MAP (датчика абсолютного давления во впускном коллекторе). Датчик разрежения, как правило, используется для определения абсолютного давления на впускном канале бензиновых и дизельных двигателей с газотурбинным надувом. Выходным сигналом датчика является напряжение, которое можно подвести непосредственно к модулю сбора данных. Этот сигнал является необходимым, поскольку даже при выключенном двигателе внутреннего сгорания в тормозной системе с помощью вакуумного насоса должен поддерживаться вакуум.
3 Сбор результатов измерений и регулирование параметров автоматического
переключения режимов работы
Автоматизация всей системы сбора результатов измерений дает возможность при подготовке исследований для оптимизации автоматического переключения режимов работы сохранять в памяти данные измерений в различных условиях и в то же время изменять и регулировать программным средством параметры автоматического переключения режимов работы между двигателем внутреннего сгорания и электродвигателем или генератором.
3.1 Сбор, вывод и сохранение результатов измерений
Для сбора результатов измерений используется гнездовой блок NI-CompactDAQ-9172 с 8 гнездами для модулей серии С (рис. 4). Соединение с компьютером осуществляется с помощью интерфейса USB 2.0.
Для приема и передачи цифровых сигналов используются 3 модуля NI 9401. Каждый из модулей имеет 8 цифровых каналов, работающих на уровне 5V-TTL. Каналы разделены на две равные группы и, по необходимости, могут использоваться как каналы выхода или входа. Если модули находятся на гнездах 5 или 6, они могут исполнять функции счётчика и таймера.
Сбор аналоговых сигналов осуществляется тремя модулями NI cRIO-9215, каждый с четырьмя входами ±10 В. По количеству входов хватило бы и двух модулей, но из-за разных
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. зон нулевого потенциала были установлены три модуля. Для измерения температуры и тока аккумуляторной батареи используется модуль N1 9211 с четырьмя аналоговыми входами ±80 мВ.
Рис. 4. Гнездовой блок и использованные модули сбора результатов измерений.
Аналоговые сигналы для преобразователя частоты переменного тока для определения ускорения, торможения или ограничения скорости подаются на модуль N1 9263 с диапазоном напряжения сигнала ±10 В.
Для используемого гнездового блока необходима подача электропитания от 10 до 30 В. Источником питания является бортовое напряжение, составляющее 12 В.
Все сигналы принимаются, отображаются и сохраняются с помощью программы LabVIEW, и оттуда могут быть переданы для использования в других целях, например, для автоматического управления переключения режимов работы между ДВС и электродвигателем.
Рис. 5. Пользовательский интерфейс.
На рис. 5 изображен интерфейс пользователя, разработанный с помощью графического языка программирования LabVIEW, через который осуществляется изображение результатов измерений и параметров режимов работы ДВС и электродвигателя.
3.2 Регулировка генераторного режима работы электродвигателя Для регулирования генераторного режима электродвигателя гибридного автомобиля использовано так называемое избирательное регулирование [13], которое основывается на воздействии двух регуляторов на одно исполнительное звено и включает в себя как цепь нормального регулирования, так и цепь Оуех^е-регулирования. В нормальном режиме регулирование осуществляется главным регулятором. Оуех^е-регулирование срабатывает тогда, когда превышается заданное номинальное значение как максимальный параметр ограничительного регулятора. Схема регулирования генераторного режима работы электродвигателя была разработана для следующих режимов работы гибридного автомобиля: «Повы-
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. шение точки нормальной работы» и «Рекуперация энергии торможения».
В режиме работы «Повышение точки нормальной работы» регулятор главной цепи регулирования контролирует скорость автомобиля. Скорость задается нажатием педали акселератора и служит задающей величиной для главного регулятора. Номинальным значением ограничительного регулятора цепи ОуепМе-регулирования является максимальное напряжение на блоке аккумуляторных батарей. Принципиальное решение регулирования для режима
работы «Повышение точки нормальной работы» изображено на рис. 6. Скорост I
Напряжетг блока аккумуляторных батарей
Рис. 6. Схема регулирования рабочего режима «Повышение точки нормальной
работы».
Сигналы с главного контура регулирования и с контура ОуепМе-регулирования поступают в блок выбора и сравниваются там, после чего наименьшая из двух величин передается на исполнительное звено. Регулирование по такой схеме позволяет повышать скорость гибридного автомобиля при нажатии педали акселератора.
Педаль тормоза
Напряжение баот Щ^умутторнщ ЩмарЩ
Рис. 7. Схема регулирования рабочего режима «Рекуперация».
В режиме работы «Рекуперация энергии торможения» решающим является то, насколько быстро необходимо замедлить ход автомобиля. Поэтому важным является только тормозной момент генератора, который регулируется непосредственно инвертирующим усилителем мощности. Таким образом, в главной цепи регулирования нет необходимости устанавливать регулятор, заданная педалью тормоза величина передается блоком выбора прямо на инвертирующий усилитель мощности. Номинальное значение ограничительного регулятора задается максимальным напряжением блока аккумуляторных батарей. Схема регулирования для режима работы «Рекуперация» изображена на рис. 7.
3.3 Обеспечение требуемого разряжения в вакуумном ресивере.
В результате переоборудования автомобиля УАЗ 3153 в гибридный автомобиль образовались рабочие режимы, в которых двигатель внутреннего сгорания в неработающем со-
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. стоянии не создает разряжения. В то же время необходимо обеспечить вакуумом вакуумный усилитель тормозов. Для устранения этой проблемы автомобиль оборудован электрической вакуумной системой. Система состоит из вакуумного насоса, накопительного резервуара, датчика разряжения и двухпозиционного регулятора (см. также раздел 2.6). Разработка двух-позиционного регулятора произведена с помощью программы Lab VIEW. Здесь устанавливаются параметры двухпозиционного регулятора и показывается актуальный уровень пони-
Рис. 8. Элементы двухпозиционного регулятора.
За генерацию необходимого разряжения отвечает вакуумный насос, который может создавать вакуум до - 75 кПа. Вакуумный ресивер может сохранять пониженное давление, создаваемое двигателем внутреннего сгорания или вакуумным насосом. Вакуумный датчик подает сигнал обратной связи цепи регулирования с диапазоном в 4,5 - 0,88 В при уровне пониженного давления от -60 кПа до -75 кПа.
3.4 Управление дроссельной заслонкой Для обеспечения работы двигателя гибридного автомобиля в режиме минимальных удельных расходов необходима возможность электронного управления дроссельной заслонкой. Это осуществляется с помощью униполярного гибридного шагового двигателя в качестве исполнительного звена и микроконтроллера ATmega16 в качестве блока управления. Блок управления и исполнительное звено изображены на рис. 9 и 10.
Рис. 9. Исполняемое звено с шаговым Рис. 10. Блок управления с
электродвигателем. микроконтроллером.
Блок управления имеет два режима работы: «Обычный» и «Гибридный». В режиме работы «Обычный» блок управления определяет необходимый угол открытия дроссельного клапана в зависимости от положения педали акселератора. В режиме работы «Гибридный» положение дроссельной заслонки должно соответствовать закону, обеспечивающему работу
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. двигателя по характеристике минимальных удельных расходов. Данные для режима работы блока управления и о положении дроссельного клапана в режиме работы «Гибридный» передаются программой. Шаговый электродвигатель изменяет угол открытия дроссельной заслонки шагами в 1,8°, в результате чего возможно достичь до 50 положений дроссельного клапана.
Таким образом, в настоящей статье определены принципы и технология приема сигналов, необходимых для разработки алгоритма и реализации автоматического переключения режимов работы обратимой электрической машины, двигателя внутреннего сгорания и автомобильного сцепления в составе гибридной силовой установки полноприводного многоцелевого гибридного автомобиля с параллельной компоновочной схемой ГСУ. Подготовлены основы для формирования автоматической системы управления ГСУ. Функциональная способность схемы продемонстрирована на таких отдельных примерах, как регулирование генераторного режима работы электродвигателя, уровня разряжения в вакуумном ресивере и управление дроссельной заслонкой.
Литература
1. МГТУ «МАМИ» Отчет по проекту: «Создание многоцелевых малотоксичных и высокоэкономичных транспортных средств с гибридными силовыми установками», 183 с.
2. Hoffmann, Jörg (Hrsg.): Handbuch der Meßtechnik. 3. Aufl. München, Wien: Carl Hanser Verlag, 2007, ISBN 978-3-446-40750-3, 821 Seiten
3. Hoffmann, Jörg (Hrsg.): Taschenbuch der Meßtechnik. 5. Auflage. München, Wien:Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 2007, ISBN 978-3-446-40993-4, 678 Seiten
4. МГТУ «МАМИ» «Гибридные автомобили как один из путей создания экономичного и экологически чистого транспорта» (часть первая и вторая), 2007 г., 139 с.
5. Back, M.: „Prädiktive Antriebsregelung zum energieoptimalen Betrieb von Hybriedfahrzeugen" Dissertation, Universität Karlsruhe, 2005, 166 Seiten
6. Frei, B.: „Regelung eines elektromechanischen Getriebes für Hybridfahrzeu-ge",Dissertationsschrift, Technische Universität Chemnitz 2005, 170 Seiten. http://archiv.tu-chemnitz.de/pub/2006/0085/data/diss.pdf
7. PureLogic: ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ 57mm [NEMA 23] http://www.purelogic.ru/sm.html (vom 15.07.2008)
8. WinAVR (Version 2006/01/25) http://www.hs-augsburg.de/~hhoegl/tmp/da-liehr/Tutorial/sw/winavr.html (vom 02.06.2008)
9. www.mikrocontroller.net: WinAVR http://www.mikrocontroller.net/articles/WinAVR (vom 02.06.2008)
10. Литвиненко В.В, Майструк А.П.: Автомобильные датчики, реле и переключатели. Краткий справочник. - М.: ООО «Книжное издательство «За рулем»», 2006 г., 176 стр., ISBN-5-9698-0033-3
11. Hauck, B.: „Elektronische Überwachungs- und Steuergeräte zum Erhalt der aktuellen Qualität vielzelliger elektrochemischer Speichersysteme", Habilitationsschrift, TU Kaiserslautern 2003, 110 Seiten, http://kluedo.ub.uni-kl.de/volltexte/2004/1656/
12. Heinemann, D.: „Strukturen von Batterie- und Energiemanagementsystemen mit Bleibatterien und Ultracaps" Dissertation, TU Berlin 2007, 184 Seiten http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?idn=983010412&dok_var=d1&dok_ext=pdf&filename=983010412.pdf
13. Overriderregelung http://www.eurotherm-deutschland.de/index.php?navi=support&site=support&navi2=faq&site2=faq_reglerpara#32 (vom 02.06.2008)
