CC BY
17
ные разработки и исследования
m
Гибридное транспортное средство с накопителями энергии двух типов
И.К. Александров,
профессор Вологодского государственного технического университета (ВоГТУ), д.т.н.
В статье представлен новый вид гибридной силовой установки (ГСУ) для транспортных средств, которая снабжена накопителями энергии двух типов - маховиковым и электрохимическим. Управление накопителями энергии повышает энергоэффективность и надежность ГСУ, снижает ее стоимость.
Ключевые слова: гибридная силовая установка, накопители энергии.
Hybrid vehicle with two types of energy storage
I.K. Alexandrov
This paper presents a new type of hybrid power unit (HPU) for vehicles, which is equipped with two types of energy storage (flywheel and electrochemical). Coordinated control of energy storage increases the efficiency and reliability of the HPU, reduces its cost.
Keywords: hybrid power plant, energy storage devices.
Как отмечалось в работе [1], во всем мире наметилась тенденция к развитию электрифицированных транспортных средств (ТС). При этом выделяется один из конструктивных видов ТС - транспортное средство с так называемой гибридной силовой установкой, в которой совмещаются двигатель внутреннего сгорания (ДВС), накопитель энергии и электрический привод на ходовую часть (движитель).
В настоящее время разработаны приемы повышения энергоэффективности ГСУ за счет использования в энергетической цепи ДВС движителя буферных накопителей энергии, стабилизирующих работу ДВС при изменении нагрузочных режимов на ведущих колесах во время движения ТС.
Известны способы [2, 3] минимизации удельного расхода топлива
ДВС транспортных средств с электромеханической трансмиссией, на которых в качестве буферного накопителя электроэнергии используются химические источники тока (аккумуляторы) или конденсаторные батареи. Известен также способ [4, 5] выравнивания нагрузки на приводном валу ДВС за счет инерционного накопителя механической энергии (маховичный привод).
Все способы имеют свои преимущества и недостатки.
Накопитель электрической энергии
К недостаткам этого способа можно отнести:
• необходимость применения дорогостоящих электрохимических источников тока или суперконденсаторов (стоимость батареи
накопителей возрастает пропорционально ее емкости и может составлять более половины стоимости электрифицированного ТС);
• недостаточную надежность накопителей энергии данного вида и соответственно значительные затраты на ремонт ТС при выходе их из строя;
• более сложную конструкцию, обеспечивающую повторный запуск ДВС в режимах кратковременного отключения-включения.
Преимуществами являются:
• идеальное управление движителем ТС за счет электромеханической трансмиссии, снабженной тяговым управляемым электродвигателем;
• отсутствие необходимости в механических или гидромеханических устройствах, регулирующих передаточное отношение трансмиссии;
• надежная рекуперация энергии в накопитель как при торможении ТС, так и при движении его под уклон;
• управление емкостью накопителя энергии за счет специальных систем автоматического регулирования [3].
Маховичный накопитель
К недостаткам второго способа относятся:
• увеличенная масса механической части привода, которая при заданной частоте вращения возрастает пропорционально моменту инерции маховика;
• необходимость устройств, регулирующих передаточное отношение трансмиссии;
• усложненный процесс рекуперации энергии путем передачи ее обратно маховику при торможении ТС за счет механического передаточного устройства.
Для передачи потока мощности в обратном направлении необходимо установить повышающую передачу, которая должна включаться строго в начальный момент торможения. В результате такого усложнения трансмиссии возврат энергии маховику в механической конструкции
т
'"ооии»«^
Научные разработки и исследова
обеспечивается практически только при движении транспортного средства под уклон.
Преимущества:
• дешевизна конструкции;
• высокая надежность;
• идеальное решение повторного запуска ДВС в режимах кратковременного отключения-включения.
Предлагаемая комбинированная схема ГСУ, на которую получена приоритетная справка Федерального института промышленной собственности (ФИПС) от 10.01.2012 г. по заявке на изобретение № 2012100462, имеет все положительные свойства каждого из указанных прототипов и, следовательно, свободна от их недостатков, что определяет новизну и эффективность данного технического решения. При выполнении патентного поиска автором не обнаружены способы и устройства, обеспечивающие совместное функционирование накопителей первого и второго видов.
Благоприятное сочетание положительных свойств прототипов принципиально повышает энергоэффективность (КПД) ДВС в условиях постоянно изменяющихся нагрузочных режимов и позволяет:
1) снизить стоимость электрохимических накопителей энергии примерно в два раза, так как более половины накапливаемой энергии запасается в маховике;
2) сохранить электромеханическую трансмиссию с тяговым управляемым электродвигателем, что исключает потребность в устройствах, регулирующих передаточное отношение трансмиссии;
4) надежно обеспечить рекуперацию энергии в накопители и при торможении транспортного средства, и при движении его под уклон;
5) обеспечить возможность управления величиной емкости накопителя энергии;
6) идеально решить вопрос повторного запуска ДВС в режимах кратковременного отключения-включения.
Таким образом, за счет указанных преимуществ снижается стоимость конструкции, повышаются ее энергетическая эффективность и надежность. Последнее свойство особенно полезно в условиях экстремальной эксплуатации ТС, поскольку оно сохраняет на определенное время способность к передвижению при выходе из строя одного и даже двух важнейших компонентов системы - ДВС, связанного с ним мотор-генератора, любого из двух накопителей энергии. Однако один из накопителей энергии при выходе из строя ДВС должен функционировать.
Устройство для реализации предлагаемого технического решения (рисунок) включает ДВС 1, соединительную управляемую электромагнитную муфту 2, накопитель 3 энергии (Н-1) маховикового типа, электромотор-генератор (ЭМГ-1) 4, химический (или конденсаторный) накопитель 5 энергии Н-2, электромотор-генератор (ЭМГ-2) 6, механическую трансмиссию 7, движитель 8, механическое тормозное устройство 9, систему управления (СУ) 10, механизм управления топливоподающим рабочим органом (ТПРО) 11.
Запуск системы
Водитель подает в СУ сигнал Ы на запуск ДВС 1, в результате чего электроэнергия от накопителя 5 поступает на электромотор-генератор 4. Последний, работая в режиме двигателя, раскручивает маховичный
накопитель 3 до заданной частоты <в0 вращения, минимально необходимой для запуска ДВС, по достижении которой СУ подает команду на плавное включение управляемой электромеханической муфты 2, и крутящий момент от маховика 3 через муфту 2 передается на вал ДВС 1. Одновременно СУ подает сигнал на включение ТПРО 11, в результате чего заводится ДВС 1. ДВС начинает раскручивать маховик 5 и жестко соединенный с последним вал ЭМГ-1 4, который в этот момент переключается в режим генерации электрической энергии.
Работа системы
при движении ТС
Водитель подает в СУ сигнал Ь2 на управление тяговым электромотором ЭМГ-2 6, который через трансмиссию 7 сообщает крутящий момент движителю (колесо) 8, и ТС приводится в движение. ЭМГ-2 имеет возможность получать питание как от накопителя Н-2 (аккумуляторная батарея), так и непосредственно от ЭМГ-1, работающего в режиме генератора. Допускается также совместная работа указанных источников электроэнергии на тяговый электромотор ЭМГ-2.
При движении ТС по горизонтальному участку пути на малых и средних скоростях ЭМГ-2 получает питание только от накопителя Н-2, степень заряженности которого определяется напряжением на клеммах: максимальным и и минимальным и . .
5
М Л2 ЛЗ
Система управления гибридной силовой установкой с двумя взаимосвязанными накопителями энергии
чны
е разработки и исследования
т
Как только напряжение на клеммах накопителя Н-2 снижается до U . , СУ
m min
подает сигнал на включение обмотки возбуждения ЭМГ-1, который начинает вырабатывать электроэнергию для двух потребителей: ЭМГ-2 и Н-2.
Если ЭМГ-2 не потребляет энергию (ТС стоит на месте или движется по инерции), то вся энергия от ЭМГ-2 передается на Н-2, который принимает заряд до момента достижения напряжения U , после чего ЭМГ-1
1 max
прекращает работу (возбуждение отключается).
При работе ЭМГ-2 на больших нагрузках (движение ТС на повышенных скоростях или на подъем) тяговый электродвигатель питается как от Н-2, так и от ЭМГ-1. В свою очередь ЭМГ-1 получает механическую энергию от выходного вала махович-ного накопителя Н-1. Частота вращения последнего, а соответственно и ЭМГ-1, контролируется системой управления в заданных пределах: romax - максимальное, <в . - минимальное
min
значения.
Максимальная частота может устанавливаться в пределах частоты работы ДВС (наиболее желаемая частота вращения, при которой ДВС имеет наибольший крутящий момент, а следовательно и максимальный КПД). Минимальная частота определяется устойчивостью работы ДВС и не должна быть ниже <в0. При этом учитываются также и характеристики ЭМГ-1, а именно - его способность генерировать электроэнергию с заданными параметрами, что зависит от частоты вращения ротора.
В начальный момент ЭМГ-1 получает механическую энергию, которая была запасена маховичным накопителем Н-1. По мере ее расхода потребителями частота вращения маховика снижается до <в . . В этот момент СУ
m min
подает сигнал на включение электромагнитной муфты 2 и ТПРО 77. В результате ДВС, раскрученный маховиком до частоты <в ., включается в
m min
работу и начинает разгонять маховик вплоть до заданной максимальной
частоты <в . После чего муфта 2 и
max ' ~
ТПРО 11 снова отключаются, и ДВС останавливается.
Особенностью работы ДВС в рассматриваемой системе является то, что ТПРО всегда обеспечивает максимальную подачу топлива, то есть ДВС работает только на внешней скоростной характеристике, где достигается минимальный удельный расход топлива. Кроме того, <Bmax может выбираться водителем с учетом скоростного и нагрузочного режимов движения ТС. Очевидно, что чем больше потребляемая мощность ЭМГ-2, которая зависит от дорожных условий и стиля вождения водителя,тем больше устанавливается < .
max
Работа системы в режиме рекуперации и торможения При включении водителем тормозной системы (плавное нажатие на педаль тормоза) для торможения и остановки ТС или замедления ТС, движущегося под уклон, в СУ поступает сигнал h3, действие которого обеспечивает перевод ЭМГ-2 в режим генератора. Вырабатываемая последним электроэнергия передается в управляемый по принципу разделения (объединения) элементов [3] накопитель Н-2. Когда рекуперация в накопитель Н-2 становится невозможной (достигается предельное напряжение Umax), электроэнергия, вырабатываемая ЭМГ-2, направляется на ЭМГ-1. При этом СУ обеспечивает работу последнего в режиме двигателя. ЭМГ-1 начинает раскручивать маховик, отключенный от ДВС, рекуперируя в него механическую энергию. Это может быть достигнуто только при частоте вращения маховика меньше а . Пос-
max
ле чего возбуждение ЭМГ-1 и ЭМГ-2 отключается, электродинамическое торможение ТС заканчивается.
Если водитель продолжает удерживать педаль тормоза, то возникает сигнал h4, который включает механическое тормозное устройство 9, и ТС останавливается.
Использование данного способа и устройства увеличивает эффективность работы ДВС, особенно при движении ТС в режиме частых разгонов-торможений (движение ТС в городе). Это обеспечивается в первую очередь за счет следующих основных преимуществ данной комбинированной системы:
• ДВС работает только на внешней скоростной характеристике;
• при наличии двух накопителей энергии и совместной их работе увеличивается объем рекуперируемой энергии торможения ТС;
• надежный запуск двигателя от маховика исключает режим холостого хода ДВС при отсутствии на нем нагрузки, что нехарактерно для прототипов, то есть дополнительно увеличивается топливная экономичность транспортного средства.
Литература
1. Александров И.К. Перспективы развития транспортных средств с электроприводом / И.К. Александров, В.А. Раков, А.А. Щербакова // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 4. - С. 65-68.
2. Патент № 2338081 РФ. Способ стабилизации минимального удельного расхода топлива ДВС транспортного средства с электромеханической трансмиссией и устройство для его осуществления / И.К. Александров, Е.В. Несговоров - Заявлен 12.03.2007; опубл. 10.11.2008, БИ № 31.
3. Патент № 2418185 РФ. Способ минимизации удельного расхода топлива ДВС транспортного средства с электромеханической трансмиссией с частичной рекуперацией и устройство для его осуществления / И.К. Александров, Е.В. Несговоров -Заявлен 14.05.2009; опубл. 10.05.2011, БИ № 13.
4. Гулиа Н.В. Накопители энергии / Н.В. Гулиа. - М.: Наука, 1980. - 152 с.
5. Патент № 2033560 РФ. Махо-вичный двигатель / Карзаков В.С. Ла-ховицкий Д.Х. - Заявлен 07.04.1992; опубл. 20.04.1995, БИ № 12.
