CC BY
57
УДК 629.113
ВИКОРИСТАННЯ ГШРИДНО! СИЛОВО! УСТАНОВКИ ПОСЛ1ДОВНОГО
ТИПУ НА М1СБКИХ АВТОБУСАХ
В.П. Сахно, проф., д.т.н., О.М. Tîmkob, доц., к.т.н., А.П. Луцик, асистент, Нацюнальний транспортний ушверситет, м. Кшв
Анотац1я. Впроеадження ziôpudnoï силоеог установки у м1ський транспорт може значно зменшити проблемы, выкликанi в мгськых районах, завдякы выкорыстанню гнновацгыных техно-логт i технологий транспортних 3aco6ie. Розроблення математичних моделей для проекту-вання автомобтв з ziôpudHUMU силовими установками приводить до скорочення часу та зменшення витрат.
Ключов1 слова: ziôpudna силова установка, посл1довна схема, структурна схема, математич-на модель, мотор-генератор, ziôpudnuù автобус.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ТИПА НА ГОРОДСКИХ АВТОБУСАХ
В.П. Сахно, проф., д.т.н., О.Н. Тимков, доц., к.т.н., А.П. Луцик, ассистент, Национальный транспортный университет, г. Киев
Аннотация. Внедрение гибридной силовой установки в городской транспорт может значительно уменьшить проблемы, вызванные в городских районах, благодаря использованию инновационных технологий и технологий транспортных средств. Разработка математических моделей для проектирования автомобилей с гибридными силовыми установками приводит к сокращению времени и уменьшению затрат.
Ключевые слова: гибридная силовая установка, последовательная схема, структурная схема, математическая модель, мотор-генератор, гибридный автобус.
USE OF HYBRID PROPULSION UNIT OF SERIAL TYPE IN CITY BUSES
V. Sakhno, Prof., D. Sc. (Eng.), O. Timkov, Assoc. Prof., Ph. D. (Eng.), A. Lutsyk, T. Asst., National Transport University, Kyiv
Abstract. Introduction of hybrid propulsion into urban transport can significantly reduce the problems caused in urban areas through the use of both innovative and vehicle technology. Development of mathematical models for designing vehicles with hybrid propulsion reduces both the time and the costs.
Key words: hybrid propulsion, sequential diagram, structural diagram, mathematical model, motorgenerator, hybrid bus.
Вступ
Еколопчш проблеми й обмежеш запаси ви-копного палива шдвищили штерес до альтернативных рухомих установок транспортних 3aco6iB. 3 шшого боку, виробники транспортних засоб1в все часпше стикаються з вимо-гами щодо скорочення викид1в шкщливих
газ1в транспортними засобами вщповщно до посилених вимог законодавства.
Автобуси як 3aci6 громадського транспорту можуть значно зменшити проблеми, викли-каш в мюьких районах, завдяки використан-ню шновацшних технологш i технологш транспортних засоб1в.
Розвиток шновацшних технологш бшьшою м!рою ор!ентований на електрифжащю транспортного засобу, результатом чого мае бути: зниження р!вня шкщливих викид!в, збшь-шення ефективност! транспортних засоб!в, полшшення тягово-швидкюних характеристик, зниження витрати палива, зменшення шуму 1 потенцшне зниження витрат на тех-шчне обслуговування. Технолога електроп-риводу мае на уваз! технологш з викорис-танням щонайменше одного пристрою шд назвою «електродвигун».
Впровадження пбридних технологш для ав-тобус!в значно зросло за останш кшька роюв. Щ технологи досягли великих прорив!в в Пшшчнш Америщ й Сврош, стали дуже ши-
роко застосовуватися протягом останшх кь лькох ромв.
Анал!з публжацш
Використання пбридних технологш на автомобильному транспорт! стало популярним в останш роки. Пбридш ршення е принципово доступними для ВС1Х основних тишв рухомо-го складу, тому е доцшьним застосування технологш електричного приводу в мюьких автобусах.
У табл. 1 показано деяю типов! пбридш еле-ктричш автобусш ршення головних вироб-ниюв автобус!в ¡з двигуном та силовим елек-тромотором [1].
Таблиця 1 Типов! пбридш електричш автобуси
«Orion VII» hybrid electric bus «New Flye»r hybrid-electric bus
BAE Systems HybriDrive™ послщовна силова установка ISE ThunderVolt® TB40-HD послщовна силова установка
Cummins ISB, ULSD, 194 кВт, 3 генератором 120 кВт
Асинхронний двигун AC, номшальна потуж-HicTb - 175 кВт (224 кВт максимальна) Два асинхронних двигуни, номшальна потужшсть -170 кВт, максимальна потужшсть - 300 кВт
Lithium-ion батарея (BMicT енерги: 0,5 кВт, Maxwell, 5х 125 В, вага - 410 кг) Ultra конденсатори (вм1ст енергп: 32 кВт, вага - 364 кг, 6 роюв розрахун-ковий строк служби)
Покращуе економш палива на 30 % i зменшуе викиди на: 90 % PM, 40 % NOx, 30 % C02 Зменшуе викиди на: 25 % PM, 32 % N0x , також зменшуе споживання палива i викиди C02
Розробкою пбридних автобус ¡в займаються так1 виробники: Gillig, ISE Corporation (Шв-шчна Америка); Scania, Iveco Irisbus, Van Hool, VDL Bus & Coach, Hess AG (Свропа); Tata Моторс, Тойота-Hino, Hyundai Motor Company, Mitsubishi Fuso (Аз1я).
Мета i постановка завдання
Метою роботи е розробка структурно!' схеми та створення математично'1 модел1 пбридно!' силово'1 установки автобуса повною масою бшьше 5 т.
Математична модель мкького автобуса з пбридною силовою установкою
На 6a3i поданих вище пбридних автобу^в розроблено структурну схему автобуса з ri6-ридною силовою установкою (ГСУ) послщо-вного типу. На cxeMi (рис. 1) зазначено осно-
bhí функцюнальш елементи та вхщн^вихщш сигнал! кожного з них.
Рис. 1. Структурна схема автомобшя з ГСУ послщовного типу
Основними функцюнальними елементами е: АКБ, ПВК заднього моста, ДВЗ, М/Г, короб-
ка передач (КП), задш ведуч1 колеса КЛ, блок керування КП (БКкп) та система автоматичного керування (САК). Остання об'еднуе в co6i логку керування (ЛК) та ко-нтури регулювання ДВЗ та електродвигуна, яю складаються з блока керування ДВЗ -БКдвз i блока керування електродвигуна -БКм/г.
Логка керування формуе сигнали керування аь а2, що надходять до БКДВз i БКм/г; вихщ-ними сигналами остаишх е щ i u2, що явля-ють собою керуючу дт на ДВЗ та М/Г.
Потужнють АКБ - Ракб, яка пропорцшна иа-npy3i Uakb i струму /акб, забезпечуе роботу М/Г в тяговому режимг М/Г, працюючи в тяговому режим^ створюе мехашчиу потуж-н1сть Рм/г, пропорцшну крутному моменту Гм/г та кутовш швидкосл «м/г, i передаеться на ПВК. Потужнють на ведучих колесах Рк визначаеться потужнютю Рпвк, яка, у свою чергу, залежить вщ поточного значения кру-тного моменту Тпвд, кутово1 швидкосп Юпвд та моменту сил опору Т0. У гальм1вному режим! М/Г перетворюе мехашчиу еиерпю вщ ПВК в електричну та вщбуваеться заряджен-ня батаре! акумулятор1в.
ДВЗ використовуеться виключно для пщза-рядки акумулятор1в. ДВЗ, працюючи, створюе мехашчиу потужшсть Рдвз, пропорцшну крутному моменту ГдВз та кутовш швидкосп Юдвз, i передаеться на Г. Потужшсть на гене-paTopi визначаеться потужшстю РРД, яка, у свою чергу, залежить вщ поточного значения крутного моменту ГРД, кутово1 швидкосп юРД та моменту сил опору Т0. Вироблена енерпя вщ генератора подаеться до АКБ.
Для моделювання автомобшя i3 ГСУ парале-льного типу, з урахуванням алгоритму керування, використовувалось середовище роз-робки MatLab Simulink. Вщповщио до структурно! схеми автомобшя з ГСУ посль дового типу, наведено! на рис. 1, було реаш-зовано математичну модель, зображену на рис. 2.
Були використаш б!блютеки: Simulink - для iMiTanii та аиашзу дииам1чних систем, вклю-чаючи дискретш, неперервш та пбридш, не-лшшш та розривш системи; дае можлив1сть будувати граф!чш блок-д1аграми, шггувати дииам!чш системи, дослщжувати працездат-н1сть систем i вдоскоиалювати проекта;
Simscape - надае середовище для моделювання { симуляци ф1зичних систем, що мю-тять компонента з р1зних шжеиерних сфер д!яльносп - мехашчних, електричних, гщра-вл1чних та шших; SimPowerSystem - розши-рюе Simulink шструментами для моделювання електросилових систем генераци, передач!, розиодшу { споживаиня електрое-нерги; Stateflow - це середовище для моделювання { симуляци комбшаторно! та посль довно! логки ухвалення ршень, що базуються на машинах сташв { блок-схемах. При побудов! математично! модел1 викорис-товувались рекомендацп [2-5].
Рис. 2. Simulink модель мюького автобуса з ГСУ послщовного типу
Математичиа модель м1ського автобуса з ГСУ посл1довного типу складаеться з таких осиовних блоюв:
Engine
MG
Battary
FrontTransmission
RearTransmission
Longitudinal VehicleDynamics
Wheel
Vehicle controller
Engine Controller MG Controller
- модель дизельного двигуна;
- модель електродви-гуна/генератора;
- модель акумулято-рно! батаре!';
- модель передньо! балки;
- модель заднього моста;
- модель поздовжньо! динамки руху автомобшя;
- чотири блоки, яю моделюють колеса автомобшя;
- модель системи керування режимами робота автомобшя;
- модель блока керування дизельним двигуном
- модель блока керування електродви-гуном-генератором
Для дослщження режимгв руху, як1 важко ре-ал1зувати на реальнш модел1, 1 визначення параметр1в, як1 характеризують роботу ГСУ та важко тддаються прямому або непрямому вим1рюванню, було проведено моделювання руху мюького автобуса в 13довому цики за математичною моделлю.
На рис. 3, а 1 б зображено розрахункову змшу струму 1 напруги тягово1 акумуляторно1 бата-ре1 (ТАБ) протягом руху в 13довому цикл1 вщ-повщно.
б
Рис. 3. Розрахункова змша струму та напруги ТАБ у математичнш модел1 ГСУ в 13довому циклг а - змша струму; б -змша напруги
Як 13довий цикл у математичнш модел1 закла-дено можливють викорисгання як стандарт-них 13дових цикл1в, визначених нормативни-ми документами, так [ 13дових циктв, заданих користувачем самостшно, наприклад, цикл1в, отриманих на основ! обробки експерименталь-них даних розподщу швидкосл автобуса на маршрут! у вигляд1 залежносп швидкосл вщ часу з дискретшстю 1 с.
Висновки
Отримано математичну модель м1ського автобуса з пбридною силовою установкою по-слщовного типу, яку реал1зовано в середо-вишд MatLab Simulink. Модель дозволяе проводити iMÎTan,ira руху автобуса у стандар-тних Ï3flOBHx циклах або за довтьним маршрутом, заданим користувачем. У результат! математичного експерименту отримано даш про енергетичш й тягово-швидкют показни-ки руху м1ських автобус1в i3 ГСУ послщов-ного типу. Надал1 плануеться проведения експериментальних дослщжень на автобус! для перев1рки адекватноси po3po6neHoï ма-TeMaTH4HOÏ моделг
Лггература
1. Zivanovic Z. Additional information is available at the end of the chapter / Zivanovic Z., Nikolic Z. [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://dx. doi. org/10.5772/51770.
2. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MatLab, SimPowerSystem, Simulink / И.В. Черных. - М.: ДМК Пресс; С Пб.: Питер, 2008. - 288 с.
3. Штовба С. Д. Проектирование нечетких систем средствами MATLAB / С.Д. Штовба. - Издательство: Горячая Линия - Телеком, 2007. - 288 с.
4. Дорф Р. Современные системы управления / Р. Дорф, Р. Бишоп; перевод с английского. - M.: Лаборатория базовых знаний, 2002. - 832c.
5. Данилов А. Компьютерный практикум по курсу «Теория управления». Simulink-моделирование в среде Matlab / А. Данилов. - M.: МГУИЭ, 2002. -128 c.
Рецензент: А.В. Гнатов, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакцп 3 червня 2016 р.
