CC BY
25
К ВОПРОСУ ОБ ОЦЕНКЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Смотров Евгений Александрович
канд. техн. наук, зав. сектором ГП НТЦ «Станкосерт», Украина, г. Одесса
E-mail: ukrniisip@gmail. com Вершинин Дмитрий Вениаминович
инж.-исследователь ОДО «СКБ специальных станков», Украина, г. Одесса
E-mail: disveir@gmail. com Субботин Виктор Владимирович студент каф. ЭМСКУ Одесского национального политехнического
университета, Украина, г. Одесса E-mail: subtev@gmail. com
ABOUT ENERGY PERFORMANCE ESTIMATION OF THE ELECTRIC
VEHICLE
Smotrov Evgeniy Aleksandrovich
Ph. D., Head of Sector SE STC "Stankosert", Ukraine Odessa
Vershinin Dmitriy Veniaminovich eng.-researcher SAL «SDD of the special machine tool», Ukraine Odessa
Subbotin Viktor Vladimirovich
student of the EMSCC Odessa National Polytechnic University, Ukraine Odessa
АННОТАЦИЯ
В работе указано на необходимость унификации и пересмотра большинства ездовых циклов для последующего применения их при анализе энергетических свойств электротранспортных средств. Проведено сравнение наиболее распространенных ездовых циклов, приведен фрагмент реального режима движения в городском потоке. Приведен способ продления срока службы одного из основных узлов электротранспортного средства — аккумуляторной батареи, при движении с требуемой динамикой.
ABSTRACT
It necessary to revise and standardize the most of the driving cycles for the proper estimation of the energetic properties of the electric vehicle. Comparisons of the most common driving cycles were performed and the fragment of the real-mode traffic was considered. A method of prolong the battery life while driving with the desired dynamics were proposed.
Ключевые слова: электротранспорт; суперконденсатор; аккумуляторная батарея; рекуператор; энергия; цикл.
Keywords: electric transport; ultracapacitor; battery; recuperator; energy; cycle.
Основной энергетической характеристикой электротранспортных средств (ЭТС) является расход энергии Втч/км (очень часто оперируют удельным расходом Втч/км/т). Расход энергии КА представляет собой отношение энергии А, затраченной на прохождение определенной дистанции Ь в конкретном режиме движения, к величине этой дистанции Ь (и к массе ЭТС т при расчете удельного расхода):
KA = А (1)
. = К^ = А (2)
m mL
Энергию А можно условно разделить на две составляющие:
А = Асопр + Адин (3)
где: А,опр — энергия, затраченная на преодоление сопротивления движению
(трение в шинах, о дорогу, аэродинамическое сопротивление воздуха, скатывающая сила при наличии уклона дороги — Road Load [8]).
Адин — энергия, затраченная на изменение скоростного режима ТС,
которая, в свою очередь, может быть разделена на энергию разгона Аразг и
энергию торможения Аторм.
Энергия А,опр определяет затраты энергии при движении с постоянной
скоростью. Похожий характер движения наблюдается, например, на автобанах,
скоростных магистралях. Энергия Адин характеризует затраты энергии при
движении с переменной скоростью, причем Адин тем выше чем выше
ускорения ЭТС. Похожий режим движения (с небольшими ускорениями) достигается при движении в часы пик. В целом движение в городских условиях будет характеризоваться смешанным циклом движения, для которого будут характерны как участки движения с постоянной скоростью, так и с переменной.
При проектировании основных силовых электрических узлов и блоков ЭТС необходимо знать, характеристики преобладающих режимов движения, в которых будет в дальнейшем эксплуатироваться ЭТС. С этой целью — анализа реальных условий вождения транспортных средств (ТС) — необходимо разработать специальные или пересмотреть существующие ездовые циклы. Существуют стандартные циклы, которые были разработаны, чтобы обеспечить основу для сравнения различных ТС, оценки выбросов и расхода топлива. Вместе с тем за последнее десятилетие значительно выросли скорости и ускорения движения потока городского транспорта, так в Москве на ряде основных магистралей разрешенная скорость составляет 80 км/час.
Несоответствие стандартных циклов (Ц) для определения выхлопа реальным режимам движения, отмечаемое многими авторами [1], послужило началом анализа режимов движения ТС и разработки собственных циклов движения для различных городов (Москва [2], Афины [10], Пуна (Индия) [7] и др.) Общим для всех работ является более напряженный график движения, больший уровень скоростей и ускорений.
Комитет интернациональной ассоциации общественного транспорта (UITP) в содружестве с производителями автобусов предлагает свои Ц (во многом объединившие Ц различных крупных городов) SORT (Standardised Оп-Road Test) [9] и упоминают о том, что ускорения для городского Ц лежат в пределах 1... 2 м/с
В табл. 1 предоставлены результаты обработки Ц ЕСЕ-15, загородной добавки к ЕСЕ-15-ЕиОС и нового европейского городского Ц NEDC.
Представлены также Ц SORT [9] — нагруженный, облегченный и пригородный.
К основным характеристикам Ц; дистанции Lц, длительности Ц ^,
максимальной скорости Умакс, средней скорости Уср и максимальным
значениям ускорений разгона aр макс и торможения a1, макс добавлены
дополнительные характеристики аналогично [7]. К ним относятся: относительные суммарные
Таблица 1.
Название цикла ECE-15 EUDC NEDC Heavy Urban C SORT Easy Urban C SORT
Скорос среднее 18.7 62.6 33.6 12.6 18.6
ть, км/ч максимум 50 120 120 40 50
Дистанция, км 4.052 6.955 11.007 0.3 0,6
Макси ускорени е 1.1 0.8 1.1 1.1 1.1
мально е, м/с2
замедлен ие 0.97 1.1 1.1 1.0 1.0
Длительность, с 780 400 1180 100 120
Относи тельное время, % разгона 22 20 21 36 34
торможен ия 18 8 15 28 28
движения 29 62 40 5 8
стоянки 31 10 24 31 30
Таблица 1. (продолжение)
Сравнительная характеристика циклов
^^^-^^Цазвание цикла Suburban NY bus Orange Цикл
Параметр C SORT C county C Одессы
Скорость, средняя 26.3 5.94 19.9 16.2
км/ч максимум 75 49.56 65.4 40
Дистанция, км 1,3 0.99 10.526 1.233
Максималь ускорение 1.1 2.77 1.44 2
ное, м/с2 замедление 1.0 0.97 1.1 1.6
Длительность, с 180 600 1909 274
Относитель разгона 33 12 44 29
ное время, торможения 31 21 33 53
% движения 8 0 2 2
стоянки 28 67 21 16
значения времени стоянки tCT, установившегося движения t , разгона tpa3r и торможения ¿Торм, выраженные в процентах от времени Ц ¿ц.
Анализируются европейские циклы, как наиболее приближенные к нашей стране. Для сравнения также добавлены примеры американских Ц -NY bus C (городской) и Orange County bus C (пригородный). Как видно из данных табл.1 американские Ц характеризуются большей динамичностью по сравнению с ЕСЕ и SORT, меньшим временем установившегося движения.
Также характерной особенностью при выборе цикла для проектирования основных узлов электрооборудования должны быть особенности эксплуатации — в которые входят местность: городская, пригородная; характер движения: свободный (стоянка вынужденная) или циклический (стоянка обязательна). Так городской Ц NY bus C ( циклический) характеризуется большим ускорением разгона, большой длительностью стоянок — следовательно и низкой средней скоростью, что существенно отличает его от пригородного Orange county C.
На рис. 1 приведена выборка из экспериментальных данных маршрутного такси в г. Одессе. Для тахограммы на рис. 1 проведена соответствующая обработка, и ее результаты занесены в табл. 1. Сравнение показывает, что цикл маршрутного такси характеризуется малым интервалом установившегося движения, а из динамических участков преобладает торможение. Средняя скорость находится между облегченным и нагруженным циклами SORT. Максимальные ускорения в полтора (торможения) — два раза (разгон) превышают существующие европейские ездовые циклы.
Рисунок 1. Фрагмент режима движения маршрутного такси (г. Одесса)
Спроектированное и изготовленное на базе европейского городского цикла, например ЕСЕ-15 [3], ЭТС просто «не впишется» в городской поток. При проектировании ЭТС работающих в режиме маршрутного такси по городу или близкому к нему считаем целесообразным взять за основу данные циклов Heavy SORT, но при расчете предельных режимов принимать максимальное ускорение/замедление 2 м/с .
Такие ускорения ЭТС при движении требуют значительно больших токов чем при движении ЭТС с постоянной скоростью. В ЭТС источником энергии является аккумуляторная батарея (АБ), разряд и заряд которой большими токами (более половины от номинальной емкости) сокращает срок жизни АБ. В то же время завышении емкости АБ приводит к неоправданному увеличению габаритов, массы и стоимости. Следует отметить, что стоимость АБ составляет около 30 % от стоимости ЭТС.
Одним из способов ограничения указанных токов является введение в состав электрооборудования ЭТС суперконденсаторов (СК). На рис. 2 показана схема подключения СК к АБ через реверсивный DC-DC преобразователь [6]. Нагрузкой источника является DC-AC преобразователь электропривода (ЭП) мотор-колеса (МК). Предварительный заряд СК от АБ и последующий подзаряд при торможении ЭТС за счет рекуперации позволяет сформировать
динамический источник тока. У динамического источника тока две задачи — оперативный прием рекуперируемой электроэнергии при торможении ЭТС и «помощь» АБ в формировании пускового тока ЭТС. На рис. 2 приведен пример «распределения» тока ЭП при разгоне и торможении между АБ и СК.
1аб 1эп
Рисунок 2. Схема включения СК в состав электрооборудования ЭТС
Величина емкости СК должна соответствовать указанным задачам, т. е. принять энергию рекуперации и обеспечить разгон ЭТС. В [8] отмечено, что количество энергии, которое может быть реализовано при торможении ЭТС при движении в соответствии со стандартизованными Ц, составляет не более 1/3 от кинетической энергии ТС. Т. о., если добиваться реализации Лтн за счет
дополнительного динамического источника тока, величина емкости СК должна соответствовать выражению
^ ^ т V2 /ЛЧ
С >-х-2---(4)
ц и 2 _ и . 2
1 ^ тах ^ Ш1И
где: V — максимальная скорость ЭТС в цикле;
итах — максимальное рабочее напряжение СК;
^тт — минимальное рабочее напряжение СК; ^ — КПД преобразователя (рекуператора); т — масса ЭТС;
При определении токов и выборе элементов рекуператора - силовых ключей, дросселя и т. д. необходимо ориентироваться на максимальную скорость в цикле (или в ТЗ на ЭТС).
Для оценки энергетики рекуператора воспользуемся следующим рассуждением: рекуператор работает при разгоне и торможении ЭТС. Допустим, при этом величина тока равна предельному значению как при разгоне, так при торможении. Тогда среднеквадратичный ток, определяющий габаритную мощность рекуператора
I
торм тах' торм
I
(5)
скз
3
при равных пиках тока разгона и торможения, согласно [4].
тах
'разг +
V з"
(6)
При предложенном решении энергия
1сопр
'ц(Ых )
I ^сопр (' М* №
(7)
0
обеспечивается за счет энергии АБ, а энергия
L (t.
. (t +t )
ц У разг торм /
Адин
J mav(t )di: (8)
0
за счет АБ и рекуперируемой энергии.
Как уже отмечалось выше, в СК может быть отдано около 1/3 от кинетической энергии ТС. Для пополнения заряда СК используется энергия АБ в паузах (при стоянке). Такое распределение позволяет избавить АБ от пусковых токов и, соответственно, обеспечить максимальную длительность жизненного цикла АБ.
Список литературы:
1. Антипов С.И. Современные испытательные ездовые циклы и их актуальность при создании алгоритма работы системы управления автомобиля с КЭУ. / С.И. Антипов, Ю.В. Дементьев. // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия Наземные транспортные средства. — 2013 — № 10 (113), — Вып. 6 — С. 8—11.
2. Ветров Ю. NEDC и ARDC: Наука и жизнь / Ю. Ветров // Авторевю. — 2012. — № 11. — С. 32—35.
3. Гибридные автомобили — решение экологической проблемы автомобильного транспорта. / В.В. Селифонов, К.Е. Карпухин, А.И. Филонов, Баулина Е.Е., Е.В. Авруцкий // Известия МГТУ «МАМИ»
— 2007 — № 2(4) — С. 30—44. [Электронный ресурс] — Режим доступа.
— URL: http://lib.mami.ru/marc21/getfile.php?file=R2licmlkbnllX2F2dG9tb2JpbGkucG Rm
4. Ключев В.И. Теория электропривода. / В.И. Ключев. М.: Энергоатомиздат, 2001 — 704 с.: ил.
5. Смотров Е.А. Построение тягового электропривода транспортного средства на основе многодвигательной схемы. / Е.А. Смотров, Д.В. Вершинин, О.Г. Дашко., Е.В. Савилов // Журнал автомобильных инженеров — 2011 — № 5 (70) — С. 30—34.
6. Смотров Е.А. Рекуператор бортового источника питания электротранспортного средства. / Е.А. Смотров // Электротехнические и компьютерные системы — 2011 — № 2 (78) — С. 7—12.
7. Kamble Sanghpriya H. Development of real-world driving cycle: Case study of Pune, India. / Sanghpriya H. Kamble, Tom V. Mathew and G.K. Sharma // Transportation Research Part D: Transport and Environment, — 2009, — vol. 14, — Iss 8, — pp. 132—140.
8. Sovran G., M.S. Bohn. «Formylae for the Tractive-Energy Requirements of Vehicles Driving the EPA Schedules», SAE Paper № 81084.
9. Standardised On-Road Test Cycles — SORT. A ptoject of the UITP Bus Committee in a collaboration with manufactures. 54th UITP International Congress, London, 2001. Access mode: [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http ://ec. europa.eu/environment/ archives/clean_bus/slides/etienne_sort.pdf
10. Vehicle emissions and driving cycles: comparison of the Athens driving cycle (ADC) with ECE-15 and European driving cycle (EDC). E. Tzirakis, K. Pitsas, F. Zannikos and S. Stouknas. Proceedings of the 9th International Conference on Environmental Science and Technology, Rhodes Islands, Greece, 2005, — pp. A1520-A1525.
