Методика поиска рациональных конструктивных параметров тягового привода электромобиля Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 8, №5 (2016) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol8-5 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/86TVN516.pdf Статья опубликована 22.11.2016. Ссылка для цитирования этой статьи:

Козлова Т.А. Методика поиска рациональных конструктивных параметров тягового привода электромобиля // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №5 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/86TVN516.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.

УДК 619.113

Козлова Татьяна Александровна

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

Россия, Нижний Новгород1 Научный сотрудник E-mail: miss.osja@yandex.ru РИНЦ: http://elibrary.ru/author profile.asp?id=888334

Методика поиска рациональных конструктивных параметров тягового привода электромобиля

Аннотация. При проектировании электромобиля встает вопрос о выборе конструктивных параметров привода. Представленная методика позволяет выбрать рациональные значения конструктивных параметров тягового привода электромобиля, без проведения экспериментального исследования разряда батарей, с учетом полномасштабной модели движения транспортного средства. Конструктивные параметры определяются на основании анализа тягово-скоростных и энергетических показателей эксплуатационных свойств электромобиля, а также стоимости комплекта батарей, которые определяются при моделировании разгона электромобиля до заданной скорости, движения с постоянной скоростью и в городском цикле. С помощью регрессионного анализа определяются регрессионные зависимости показателей движения, на основании которых методом оптимизации или графоаналитическим методом происходит поиск рациональных конструктивных параметров. Экспериментальное исследование показало, что математические модели методики адекватно отражают реальный процесс работы двигателя и автомобиля, а также процесс разряда тяговых аккумуляторных батарей. Поэтому, данная методика расчета имеет право на существование и может использоваться для оценки конструктивных изменений тягового привода электромобиля.

Ключевые слова: экологическая безопасность; электромобиль; параметры трансмиссии; эксплуатационные свойства; математическое моделирование движения; кривые Рагона; оптимизация

Введение

В нашей стране работой по исследованию и разработке автомобилей с тяговым электроприводом занимаются как отдельные ученые: С.Р. Аманов, С.В. Бахмутов, Б.П. Бусыгин, К.Л. Богданов, Е.Е. Баулина, Д.В. Вершинин, А.В. Гуськов, И.Д. Гурьянов, О.Г.

1 603022, Россия, г. Н. Новгород, ул. Тимирязева, д. 29б, кв. 31 1

Дашко, И.С. Ефремов, О.В. Закарчевский, П.А. Златин, И.Д. Изосимов, Д.Б. Изосимов, А.В. Круташов, В.Н. Козловский, И.П. Ксеневич, В.А. Кеменов, И.А. Куликов, К.Е. Карпухин, О.Г. Клочков, Г.О. Котиев, В.Б. Клепиков, М.С. Листвинский, В.В. Ломакин, С.А. Морозов, О.Б. Мокин и Б.И. Мокин, М.В. Нагайцев, А.А. Отарский, Ю.П. Петров, В.В. Селифонов, Н.С. Соломатин, Н.К. Семенихин, Е.А. Смотров, В.В. Серебряков, В.И. Строганов, А.М. Серафимов, О.А. Ставров, А.Л. Скрипко, И.В. Стародубцева, А.П. Тарасян, В.А. Умняшкин, Н.М. Филькин, М.М. Фролов, С.Н. Флоренцев, С.А. Харитонов, Р.П. Хамидуллин, Ю.В. Чмиль и В.П. Чмиль, А.В. Шабанов, Д.В. Эблесон, и многие другие, так и крупные организации: ФГУП «НАМИ», ОИЦ «ГАЗ» и ПАО «КамАЗ». Актуальность вопроса выбора конструктивных параметров тяговой системы электромобиля, их оптимизация и оптимизация работы всего тягового привода, объясняется их значимостью и при создании и эксплуатации электромобиля. Существующие методики расчета Н.И. Слипченко и др. [7], В.И. Строганова и др. [8], Д.И. Гурьянова [2], О.Б. Мокина и др. [11] имеют ориентацию или только на энергетические свойства электромобиля (обеспечение пробега или минимальных затрат энергии), или только на тягово-скоростные (обеспечение заданных тяговых характеристик), не позволяя достичь одновременно рационального сочетания показателей тех и других свойств. В представленных методиках не учитывается тип тяговых аккумуляторных батарей (ТАБ), существенно влияющий на показатели тягово-скоростных и энергетических свойств. Исключением является методика А.В. Ионесяна [3], учитывающая тип батарей, но для ее использования требуется проведение трудоемкого эксперимента по определению постоянной Пейкерта, существенно увеличивающее время и средства на проектирование транспортного средства. D. Ragone [13], рассматривая процесс разряда тяговых батарей предложил использовать аналитическую зависимость удельной энергии батарей от удельной мощности разряда, которая известна как кривая Рагона. P. Frantzeskakis [14] использовал данные зависимости для определения пробега при постоянной скорости и разгона до этой скорости на основании упрощенной одномассовой математической модели движения транспортного средства. На основании вышеперечисленного автором разработана методика поиска рациональных значений конструктивных параметров тягового привода электромобиля с учетом типа батарей, не требующая проведения эксперимента для получения разрядных характеристик ТАБ, а также с учетом полномасштабной математической модели движения электромобиля.

1. Описание методики

На рисунке 1 представлена структурная схема разработанной методики.

I 1. Анализ и выбор исходных данных I

-Х^-

2. Моделирование процессов и определение параметров при движении электромобиля 2.1 При разгоне электромобиля с максимальной интенсивностью 2.2 При движении электромобиля с постоянной скоростью 2.3 При движении электромобиля в городском цикле ГОСТ Р ЕН 1986-1-2011 _2.4 Построение кривой Рагона_

_3_,

3. Планирование виртуального эксперимента --

4. ипределение рациональных конструктивных параметров электромооиля в соответствии с его оперативно-функциональным назначением

1 Выбор ТАБ из заданных видовШыбор ТАБ из диапазона значений

1

4.1 Графоаналитическим методом | | 4.2 Методом сканирования

| 5. Генератор ЛПт - последовательности |

|_6. Выбор оптимальных значений конструктивных параметров |

Рисунок 1. Структурная схема методики (составлено автором)

Методика состоит из шести этапов.

1. Первый этап методики - подготовка исходных данных к расчету, в качестве которых принимаются данные по конструкции автомобиля, электродвигателю, трансмиссии, ТАБ, дороге. На основании анализа возможных модификаций электромобили группируются по оперативно-функциональному назначению. Для каждой группы показатели расставляются в соответствии со значимостью.

2. На втором этапе моделируются процессы и определяются параметры при движении электромобиля.

Определение рациональных конструктивных параметров тягового привода электромобиля, а именно: удельной энергии аккумуляторной батареи, характеризующей ее тип (Еуд б), массы комплекта батарей (Мб), передаточного числа главной передачи (/о), осуществляется путем оценки тягово-скоростных и энергетических показателей эксплуатационных свойств, полученных в результате моделирования его движения при разгоне с максимальной интенсивностью, постоянной скорости и в городском цикле ГОСТ Р ЕН 1986-1-2011. Тягово-скоростным показателем выступает время разгона до скорости 100 км/ч (tp), энергетическим - пробег электромобиля на одной зарядке (Б1зарядке) и израсходованная при этом энергия ТАБ (Еб), пробег за весь жизненный цикл батарей (Бобщий). Также учитывается стоимость комплекта батарей (Ц), которая является основной составляющей стоимости всего электромобиля.

В разработанной методике представлены два варианта выбора типа батарей. В первом варианте рациональный тип аккумуляторных батарей выбирается из некоторого количества к заданных видов ТАБ, которые нумеруются в порядке возрастания удельной энергии (п=1...к). Во втором варианте тип батарей выбирается из заданного проектировщиком диапазона удельной энергии, изменяясь от минимального значения до максимального с определенным шагом (Еуд min.. .Еуд max).

2.1. Разгон с максимальной интенсивностью.

В самом начале моделируется движение транспортного средства с максимальной интенсивностью по горизонтальному участку дороги с твердой опорной поверхностью, которое описывается уравнениями [5]:

Rx = Тк/Гд - feRz - Лбк/Гд1 (1)

dVa/dt = (F^ - Fz)ßMa J

где: Rz и Rx - нормальная и продольная реакции действующие на колесо со стороны дороги; Тк - крутящий момент подводимый к колесу; Гд - динамический радиус; f-составляющая коэффициента сопротивления качения; JK - момент инерции колеса относительно оси его вращения; 8к - угловое ускорение вращения колеса; Ма - масса автомобиля (кг); 5 - коэффициент учета вращающихся масс; FTO - тяговая сила на ведущих колесах (Н); Fe - сила сопротивления дороги (Н); Va - скорость движения.

По выражению (1) определяется время разгона до скорости 100 км/ч.

2.2. Моделирование равномерного движения.

Для более полной оценки работы электромобиля выбран режим движения с постоянной скоростью на горизонтальном участке дороги со скоростью 60 км/ч. При этом мощность, с которой происходит разряд, определяется:

Pv = v"""tF*v, Вт (2)

Чэд^тр

где: Vconst - постоянная скорость движения автомобиля, (км/ч); Fev - сила сопротивления движению при скорости Vconst, (Н); Цэд - КПД электродвигателя при скорости Vconst; Цтр - КПД трансмиссии.

2.3. Моделирование движения электромобиля в городском цикле.

При моделировании движения в городском цикле ГОСТ Р ЕН 1986-1-2011 определяются затраты энергии (W) за время движения в цикле Таким образом, среднее значение мощности электромобиля при движении в цикле составит:

w

Рц - р Вт (3)

Соответственно, мощность разряда ТАБ:

р

Pv - Вт (4)

Чэд^тр

Удельная мощность разряда при движении в городском цикле и с постоянной скоростью равна:

Р£ Вт

Мб' кг

Руд F-РТ, ВТ (5)

С помощью зависимости удельной энергии батарей от удельной мощности (кривой

Втч

Рагона) определяется удельная энергия разряда ТАБ ЕуДу = ДРудк) (^т). Учитывая расход

энергии на собственные нужды (кондиционирование/отопление и т.д.), которые в первом приближении составляют 20% - 25%, а также максимальный процент разряда батарей (80%), количество отданной энергии умножается на коэффициент 0,6. Время разряда ТАБ составит:

0.6Еуд у

* = , ч (6)

Руд V

Первый энергетический параметр - пробег электромобиля на одной зарядке равен:

• при равномерном движении:

^ = ^соп5( • Ь км (7)

• при движении в городском цикле протяженностью 1,013 км:

5 = 1,013-, км (8)

При этом количество энергии, затраченное на обеспечение данного пробега, определяется как:

0,6Еуд7Мб

Еб =-—— , кВт-ч (9)

6 1000 ' 4 '

Третий энергетический параметр - общий пробег электромобиля за весь жизненный цикл ТАБ равен:

8общий =8-С, км (10)

где С - число циклов разряда и заряда ТАБ.

Время разряда и расход энергии определяются с помощью аналитических кривых Рагона. Кривая Рагона - энергетическая характеристика батареи полученная путем разряда ТАБ постоянной мощностью при минимально возможном напряжении. Определение реального напряжения разряда подразумевает наличие экспериментального исследования процесса разряда конкретной батареи, что требует больших затрат времени и средств. Полученные значения пробегов и энергии являются базовыми (минимальными) величинами

реальных результатов, поскольку определены при минимальном напряжении разряда батареи и учитывают расход энергии на собственные нужды при наихудших условиях. Таким образом, представляется возможным проведение сравнительного анализа.

Экономический параметр - стоимость комплекта батарей рассчитывается:

Ц = И* , ЦэдОп, руб. (П)

^ кВтч 1000 ^ 4 '

где -ру-— стоимость одного кВт-ч энергии определенного типа ТАБ, руб.; Иэд - рабочее напряжение электродвигателя, В; Qn - номинальная емкость ТАБ, А-ч.

2.4. Моделирование процесса разряда батарей.

Из-за большого числа производителей соотнести и сравнить типы батарей на основе спецификации становится проблематично. Для достижения надлежащего сопоставления нескольких систем батарей необходимо многократно проводить испытания разряда батарей при постоянном значении силы тока. Поскольку данные эксперименты дорогостоящие и занимают много времени, оценить производительность батарей возможно при использовании универсальной модели, позволяющей получить аналитические зависимости и энергетические характеристики батареи при минимальных затратах времени и средств. В результате моделирования процесса разряда аккумуляторной батареи определяется ее энергетическая характеристика, а именно, зависимость удельной энергии батарей от удельной мощности.

На первом этапе моделирования строится зависимость емкости от тока разряда. Для этого используют эмпирические коэффициенты (таблица 1). Основой для расчета служит указанная производителем номинальная емкость батарей и соответствующее ей время разряда. Поделив номинальное значение емкости (0И) на соответствующий номинальному значению времени разряда (С/&) коэффициент корреляции (Кп), определяется значение емкости при одночасовом разряде (С/1). Чтобы получить остальные значения емкости, необходимо значение емкости при одночасовом разряде умножить на ряд коэффициентов корреляции (К).

(12)

где: Qn - емкость батареи указанная производителем, (Ач); Кп - коэффициент корреляции соответствующий номинальному значению времени разряда П К - коэффициент корреляции соответствующий емкости Qi.

Для определения ряда значений тока разряда следует, полученные значения емкостей поделить на соответствующие значения времени разряда (^):

(13)

ч

Таблица 1

Коэффициенты корреляции [13]

Диапазон емкости С/0,25 С/0,5 С/1 С/2 С/3 С/3,5 С/4 С/5 С/6 С/7 С/8 С/10

Коэффициенты корреляции 0,66 0,83 1,00 1,14 1,23 1,27 1,31 1,36 1,40 1,43 1,45 1,50

Строится зависимость емкости от тока разряда.

На втором этапе моделирования для анализа универсальной модели разряда батарей система ТАБ представлена в качестве упрощенной эквивалентной схемы, в которой согласование источника и нагрузки осуществляется по мощности. Максимальная мощность

является наиболее значимым параметром для оценки эффективности ТАБ гибридных и электрических транспортных средствах. Согласование по мощности обеспечивает получение в нагрузке максимально возможной мощности.

Условие согласования нагрузки и источника, обеспечивающее максимальную мощность в приемнике выглядит как равенство сопротивления нагрузки (Ян) и внутреннего сопротивления (Яб) (рисунок 2). Адаптируя данную концепцию для эквивалентной электрической цепи ТАБ, эквивалентное сопротивление батареи (Я) равно:

к _ ^тш2 (14)

где ^тах _ ^тах • ^/тах

Umin - минимальное напряжение батареи; Ртах -Рисунок 2. Упрощенная максимальная мощность, (Вт); Imax - максимальное (

элжттртжкая схема значение тока разряда, (А); Ui max - напряжение батареи батареи [13] при разряде током Imax до 80% емкости, (В)

Моделирование процесса разряда универсальной модели ТАБ представляет собой разряд батареи при постоянном значении мощности. Задавшись рядом значений мощности (Pk), определяется соответствующие ей значение тока разряда (Ipk) и КПД батареи

Urnin2-4Pfcfi

/р*=—^- (16)

= ^^ (17)

С помощью полученной ранее зависимости емкости батарей от тока разряда Q=f(I), для каждого значения тока разряда 1рк, определяется значение емкости Qk=f(Iрk) и, соответственно,

время разряда ^ = ^. Удельная мощность и удельная энергия находятся по формулам: 'рй

Руд * = ^ (18)

Уд к мб Мб

Еуд *=МГ4* (19)

где: Руд к - удельная мощность разряда ТАБ, ^ Еуд к - удельная энергия ТАБ, Мб -масса комплекта батарей, кг.

Строится зависимость удельного расхода энергии батареи от удельной мощности Еуд = I (Руд).

3. На третьем этапе методики происходит планирование виртуального эксперимента, в результате которого определяются регрессионные зависимости тягово-скоростного и энергетических показателей эксплуатационных свойств, а также стоимости комплекта батарей от конструктивных параметров тягового привода.

В качестве факторов рассматриваются конструктивные параметры тягового привода электромобиля Еуд, Мб, 1о. В случае установки коробки передач дополнительно исследуется ее передаточное число.

При разработке методики рассматривались два типа регрессионных моделей: линейная, с учетом парных взаимодействий и квадратичная.

Поскольку исследовались семь видов батарей, в качестве плана эксперимента для всех моделей использовался семиуровневый трехфакторный полный факторный эксперимент с числом опытов К=73=343. Данный план является центральным композиционным ортогональным планом (ЦКОП) второго порядка, с семью уровнями варьирования, что позволяет применить его к квадратичной модели без добавления звездного плеча азв. Применение звездного плеча возможно при выборе ТАБ из диапазона, где можно определить характеристики батареи и значения выходных функций в звездных точках. Однако это проблематично при расчете с заданными видами ТАБ. Соответствующие каждому виду батареи значения удельной энергии неравномерно распределены в порядке возрастания (1...£), вследствие этого каждому значению присвоен порядковый номер заданный целым числом, таким образом, имеется только k значений удельной энергии.

Математическое уравнение модели (уравнение регрессии) второго порядка имеет вид

[6, 10]:

У = К + 2 Ь.х. + 22 Ь..х.х .+ 22 2 Ь.х.х.х +2 2 2 2 Ь , х .х .х х + 0 л 1 1 л 1 У 1 } 1 1 ,1 1]к 1 } к ... „ 7 17 1 Ф 1 } к 1

I = 1 1 = 1 у = 1 1 = 1 у = 1 к = 1 1 =1 у = 2 к = 3 I = 1

п п п п п

+ 2 2 2 2 2 ь

1 = 1у =1 к =1 I = 1 т = 1

ф1т Х1Х ]ХкХ 1Х т

+ 2 Ь ..х..

11 11

11 =1

(I * у * к * I * т ) ,

где: у - тягово-скоростной или энергетический показатель эксплуатационных свойств, а также стоимость комплекта батарей; п - число факторов, п = 3; xl - соответствует значению удельной энергии или типу батарей Еуд б; X2 - масса комплекта батарей Мб; х^ - передаточное число главной передачи щ Ьи Ьу, Ьук, Ьуи, Ь^ы, Ьц - коэффициенты регрессии, учитывающие соответствующие взаимодействия факторов и квадратичные члены модели.

Математические уравнения моделей первого порядка с учетом парных взаимодействий получаются из уравнения (20) при условии, что коэффициенты регрессии при других взаимодействиях и квадратичных эффектах будут равны нулю.

Коэффициенты регрессии определяются по следующим формулам:

N

2 У -х..

1 у у 1 = 1

Ь. = -- ь

1 N 9 1т

2 х2

У = 1 У •

N

£

У=1

2 У у (х1хт )

N

2 у,(х;),.

N I.

У=1

(/ ф т) ь =

У=1

у 1 у

2 (х1хт ) у

N 2 2 (х'. )2

у=1 г 1

1 N к _2

Ь = — 2 У ■ - 2 Ь..х. . 0 N ¡=1УУ 1=1 11 1

(21)

где:

х' - х2 - х"2

- нормализованный фактор, характеризующей влияние квадратичного

члена модели; 1 - среднее значение, N - число опытов в плане.

Коэффициент регрессии считается значимым, если его абсолютная величина получалась больше доверительного интервала, принимаемого равным ±1% размаха

А Ь, = 2 ■10 (У тах

комплексного параметра оптимизации: у

- У . ) тп

Диапазон варьирования массы комплекта батарей и удельной энергии зависит от варианта выбора рационального типа. В первом варианте удельная энергия от 1 до k с шагом 1. Масса комплекта батарей зависит от типа батарей и рабочего напряжения тягового привода. Во втором варианте масса комплекта батарей изменяется от 50% до 100% от максимально допустимой массы комплекта батарей, определяемой категорией транспортного средства. Удельная энергия изменяется в пределах заданного инженером интервала. В качестве

п

пп

пп

п

пп

п

п

п

2

напряжения тягового привода берется среднее значение рабочего напряжения электродвигателя. Передаточное число главной передачи в обоих случаях изменяется в пределах 20% от номинальной величины.

4. На четвертом этапе методики, на основании полученных регрессионных зависимостей показателей эксплуатационных свойств электромобиля, определяются рациональные конструктивные параметры в соответствии с его оперативно-функциональным назначением.

4.1. Если ТАБ выбирается из заданных видов - графоаналитическим методом.

В случае рассмотрения небольшого количества исследуемых видов батарей, целесообразнее использовать метод графического анализа. На основании критериев оперативно-функционального назначения электромобиля и с помощью графических иллюстраций исследуемых зависимостей, выбираются рациональные значения конструктивных параметров.

4.2. Если ТАБ выбирается из диапазона значений удельной энергии - методом ЛПт -последовательности, состоящий из двух этапов, которые являются пятым и шестым этапом методики.

5. На пятом этапе методики определяются декартовы координаты каждой 1-й пробной точки равномерно распределенной ЛПт - последовательности у'-го показателя с учетом направляющих чисел гу по формуле [9]:

т - к+1 Г1 т -1 (I) к-1-1 1 д, = Е 2 к +1 Г - Е [2{У2 '}][ 2{г) ) 2 к 11}] 1

' к =1 I 2 I = к -1 ) , где т = 1 + [1п 2] (22)

Определяется множество оптимальн^1х по Парето конструктивных параметров в результате решения следующей задачи оптимизации:

где: Фк (Х) - целевая функция; Фк и Ф к нижнее и верхнее допустимое значение к-й целевой функции; щ, Ъг - нижняя и верхняя границы изменения /-го фактора; п - число факторов; т - число целевых функций; I - число функциональных ограничений; Б - область допустимых значений; - функциональные ограничения.

6. На шестом этапе методики во множестве эффективных точек Парето определяется пробная точка, соответствующая наилучшему значению наиболее значимого показателя для данной группы транспортных средств. Затем делается предположение, что это значение показателя может быть ухудшено на 1...3% и в полученном множестве, определяется эффективная точка Парето, соответствующая наилучшему значению второму по значимости показателю. Затем опять делается предположение, что это значение может быть ухудшено на 1.3%, и в полученном множестве определяется эффективная точка Парето, соответствующая наилучшему значению третьему по значимости показателю и т.д.

Таким образом, после перебора всех показателей в соответствии с их значимостью определяются рациональные конструктивные параметры.

2. Апробация методики

В соответствии с разработанной методикой для электромобиля «НГТУ-Электро», созданного в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках государственного контракта по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.», определены рациональные конструктивные параметры тягового привода.

Рисунок 3. Электромобиль «НГТУ-Электро» (фото автора)

Таблица 2

Технические характеристики электромобиля «НГТУ-Электро» [12, 14]

№ Параметр Обозначение Значение

1 Полная масса транспортного средства, кг Ма 3500

2 Снаряженная масса автомобиля с электродвигателем, кг Мн 2500

3 Снаряженная масса автомобиля с электродвигателем без батарей, кг Мбб 1800

4 Максимально допустимая масса комплекта ТАБ, кг Мб 700

5 Колесная формула транспортного средства 4х2

6 Максимальная скорость, км/ч Vmax 115

7 Коэффициент сопротивления качению при малых скоростях f 0,012

8 Коэффициент влияния скорости на увеличения силы сопротивления качению A 0,0004

9 Коэффициент лобового сопротивления Сх 0,51

10 Радиус качения колеса, м rk 0,33

11 Максимальный коэффициент сопротивления движению Wmax 0,25

12 Коэффициент сопротивления движению при максимальной скорости Wy 0,002

13 КПД трансмиссии )тр 0,92

14 Площадь миделева сечения, м2 Ав 4,69

15 Передаточное число главной передачи Uo 5,125

По оперативно-функциональному назначению электромобили разделены на три группы: коммерческие электромобили (Ушах=95 км/ч, 8шт=200 км, Шг=1000-1100 кг), электромобили для служб экстренного реагирования (скорая помощь, МЧС, пожарная машина) (Ушах=120 км/ч, 8шш=150 км, Шг=750-850 кг), электромобили для перевозки определенных слоев населения, таких как школьники и инвалиды (Ушах=80 км/ч, 8шт=70 км, Шг=1100-1150 кг). Где Ушах - максимальная скорость движения, Бшт - минимальный пробег; Шг - грузоподъемность.

Рациональный тип батарей в первом случае выбирается из семи конкретных видов ТАБ: никель-кадмиевые батареи (Ni-Cd) емкостью 66 А-ч и никель-металлогидридные батареи (Ni-Mh) емкостью 50, 88 и 100 А-ч производства НИАИ «Источник» г. Санкт-Петербург Россия; литий-ионные батареи (Li-ion) емкостью 60, 100 и 160 А-ч производства компании Winston Battery г. Шеньчжень, Китай. Масса комплекта батарей при этом определяется рабочим напряжением 360-430 В. Во втором случае из диапазона значения

Вт-ч Вт-ч

удельной энергии от 40 — до 100 —, масса комплекта варьируется от 350 кг до 700 кг. Передаточное число главной передачи изменяется от 4,1 до 6,15.

Определение параметров осуществлялся с помощью разработанного автором программного комплекса «Расчет параметров движения электромобиля».

На основе формул (21) были получены коэффициенты регрессии с двумя типами моделей для двух вариантов выбора ТАБ, среди которых определены значимые. Расчеты с использованием полученных коэффициентов регрессии показали, что линейный план с парными взаимодействиями не является адекватным для оценки тягово-скоростного и энергетических показателей, а также стоимости комплекта батарей, при заданном типе батарей. Однако, в случае выбора ТАБ из диапазона значений, достаточно хорошо отображает тенденции изменения показателей от конструктивных параметров, поэтому при расчетах в первом приближении его можно использовать. Поскольку наиболее достоверную информацию о степени влияния конструктивных параметров на показатели эксплуатационных свойств имеют планы второго порядка, поэтому дальнейший анализ проводился на их основе.

В качестве примера на рисунках 4-5 показана графическая иллюстрация зависимости пробега электромобиля на одной зарядке от конструктивных параметров при заданном типе батарей.

а)

б)

в)

г)

Рисунок 4. Графики зависимости пробега электромобиля на одной зарядке от удельной энергии и передаточного числа: а) эксперимент; б) квадратичная форма; в) от удельной энергии; г) от передаточного числа (составлено автором)

Рисунок 5. График зависимости пробега электромобиля от массы комплекта батарей

(составлено автором)

Полученные коэффициенты регрессии для тягово-скоростных и энергетических показателей, а также стоимости комплекта батарей при движении в городском цикле ГОСТ Р ЕН 1986-1-2011 для первого варианта выбора представлены в таблице 3.

Рациональные значения удельной энергии ТАБ, массы комплекта и передаточного числа главной передачи полученные на основании параметров разделяющих электромобили на коммерческие, динамичные и пассажирские модификации представлены в таблице 4 и 5.

Таблица 3

Коэффициенты регрессии модели второго порядка при заданном типе батарей и движении в цикле ГОСТ Р ЕН 1986-1-2011(составлено автором)

tp Slзарядке S общий Еб Ц

Ь0 54,123 71,680 281044,989 13,2210 310391,079

Ь1 0,009 -0,005 -204,048 0,001 -182,490

Ь2 -0,852 -46,995 -173505,630 -8,9800 -206776,266

Ь3 -13,555 -0,430 -2637,463 0,0030

Ь12 0,037 140,705 0,0070 190,086

Ь13 -0,001 0,003 6,629 0,0001

Ь23 0,021 0,300 1146,386 0,0080

Ь123 0,0001

Ъх1 0,056

Ь22 0,093 5,268 19282,087 1,0360 25899,403

Ьзз 1,093 -247,931

Таблица 4.

Рациональные конструктивные параметры тягового привода электромобиля «НГТУ-Электро» при заданном типе ТАБ (составлено автором)

Оперативно-функциональное назначение Приоритет эксплуатационных показателей Эксплуатационные показатели Конструктивные параметры

Мб, кг N ио

200 км

Ц 917628 руб.

Коммерческий 8общий 616326 км 644 7 5,125

Еб 40 кВтч

15,22 с

Оперативно-функциональное назначение Приоритет эксплуатационных показателей Эксплуатационные показатели Конструктивные параметры

Мб, кг N ио

Для служб экстренного реагирования (динамичные) Ъ §общий Ц Еб 13,25 с 163 км 471077 км 692860 руб. 31,7 кВт-ч 430 6 6,15

Для перевозки определенных слоев населения (пассажирские) Ц Еб 8общий 203678 руб. 15 кВт-ч 143425 км 75 км 15,3 с 653 3 5,125

Множество эффективных точек Парето для электромобиля «НГТУ-Электро» приведено на рисунке 6.

Е6, кВтч

Рисунок 6. Множество эффективных точек Парето для электромобиля «НГТУ-Электро»

(составлено автором)

Таблица 5

Оптимальные по Парето конструктивные параметры тягового привода электромобиля «НГТУ-Электро» при заданном диапазоне удельной энергии (составлено автором)

Оперативно-функциональное назначение Номер точек ЛПТ послед-ти Эксплуатационные показатели Конструктивные параметры

Мб, кг Еуд Вт-ч/кг Ио

Коммерческий 9664 202 км 942002 руб. 741085 км 40 кВт-ч 15,4 с 590 100 5,125

Для служб экстренного реагирования (динамичные) 7950 14 с 157 км 417449 км 513008 руб. 31 кВт-ч 450 92 6,15

Для перевозки определенных слоев населения (пассажирские) 5004 216730 руб. 14,7 кВт-ч 158891 км 75 км 15 с 470 63 5,125

Характеристики оптимальных типов батарей представлены в таблице 6.

Таблица 6

Характеристики оптимальных типов батарей (составлено автором)

Оперативно-функциональное назначение Конструктивные параметры Параметры ТАБ

Мб, кг Еуд, Вт-ч/кг Тип Иб, В тб, кг Об, А-ч

Коммерческий 590 100 Li-ion 3,6 5,3 147

Для служб экстренного реагирования 450 92 Li-ion 3,6 4,05 104

Для перевозки определенных слоев населения 470 63 NiMh 1,25 1,5 74

3. Экспериментальное исследование

Для подтверждения адекватности математической модели методики производилось сравнение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

Экспериментальные исследования проводились на автомобиле Lexus NX 300h с гибридной силовой установкой, осуществляющий движение только на электротяге (электромобильный режим движения) до скорости 40 км/ч. В качестве основного, переднего, электродвигателя установлен синхронный электродвигатель переменного тока с постоянными магнитами HSM1-10.18.22. На исследуемом автомобиле установлены 17 блоков ТАБ соединенных последовательно, по два модуля NP2 (производство Primearth EV Energy Co., Ltd.) в каждом. Каждый модуль состоит из шести Ni-Mh ячеек номинальным напряжением 1,2 V и емкостью 6,5 А-ч. Энергоемкость ТАБ составляет 1,6 кВт-ч с напряжением 244 В. При экспериментальных исследованиях оценивался такой энергетический показатель как пробег на одной зарядке при постоянной скорости.

В процессе экспериментов фиксировались параметры разряда ТАБ, а также показатели тягово-скоростных свойств транспортного средства.

На рисунке 7 представлен фрагмент регистрируемых данных во время испытаниях автомобиля Lexus NX 300h при движении по горизонтальному асфальтированному участку дороги со скоростью 40 км/ч.

а)

Время, с

б)

Рисунок 7. Показатели при движении автомобиля со скоростью 40 км/ч: а) напряжение и ток разряда ТАБ; б) пробег автомобиля на одной зарядке (составлено автором)

Поскольку система контроля заряда/разряда автомобиля не позволяет заряжать ТАБ более 65% и разряжать менее 45%, то есть диапазон заряда/разряда составляет от 45 до 65%, поэтому при исследовании выбран данный диапазон. На рисунке 8 изображены теоретические и средние значения экспериментальных результатов пробегов. Сравнивая результаты, полученные расчетным и экспериментальным методами, можно отметить, что наблюдается качественное и количественное совпадение значений. Максимальное расхождение теоретических и экспериментальных результатов составляет 15,18% при скорости 40 км/ч. Также из расчетов следует, что время разгона до скорости 100 км/ч составляет 10,1 с. Время, заявленное в техническом паспорте автомобиля 9,3 с, таким образом, расхождение результатов равно 8,6%.

Б, км

3,0 у

2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 -0,0 -О 10 20 30 40

Рисунок 8. Теоретические и экспериментальные значения пробегов автомобиля Ьехш МХ 300И при разряде ТАБ от 45% до 65% (составлено автором)

На основании сравнения результатов экспериментов и расчетов между ними наблюдается удовлетворительная сходимость, что позволяет считать, что разработанные и используемые математические модели адекватно отражают реальный процесс работы двигателя и автомобиля, а также процесс разряда ТАБ. Поэтому, данная методика расчета

V,

км/ч

имеет право на существование и может использоваться для оценки конструктивных изменений тягового привода электромобиля.

Выводы

На основании анализа существующих методик расчета разработан алгоритм поиска рациональных значений конструктивных параметров тягового привода электромобиля, с учетом показателей, характеризующих эффективность его работы при: разгоне с максимальной интенсивностью, движении с постоянной скоростью и движении в городском цикле ГОСТ Р ЕН 1986-1-2011; а также с учетом экономического показателя - стоимости комплекта батарей, на основе регрессионных моделей и критерия Парето.

На выбор рациональных конструктивных параметров в соответствии с оперативно-функциональным назначением электромобиля существенное влияние оказывают приоритеты исследуемых показателей и принятые функциональные ограничения, в частности, величина минимального пробега на одной зарядке и максимальная масса комплекта батарей, напрямую зависящая от грузоподъемности. Существенное влияние оказывает такой показатель как стоимость комплекта батарей, определяющая стоимость всего электромобиля.

Для получения семейства электромобилей «ГАЗель», включающих в себя грузовые, динамичные и пассажирские модификации трансмиссии, определены следующие необходимые конструктивные параметры при сохранении остальных параметров агрегатов привода унифицированными:

• Для получения грузовых, или коммерческих, электромобилей необходимо установить NiMh батареи емкостью 147 А-ч и массой 5,3 кг, масса комплекта 590 кг, или из представленных вариантов - Li-ion батареи емкостью 160 А-ч массой 5,7 кг производства компании Winston Battery, масса комплекта 644 кг, передаточное число ГП для обоих вариантов 5,125.

• Для получения динамичных электромобилей, для служб экстренного реагирования, необходимо установить Li-ion батареи емкостью 104 А-ч и массой 4,05 кг, масса комплекта 450 кг, или из представленных вариантов - Li-ion батареи емкостью 100 А-ч массой 3,6 кг производства компании Winston Battery, масса комплекта 430 кг, передаточное число ГП в обоих случаев 6,15.

• Для пассажирских модификаций электромобилей, необходимо установить NiMh батареи емкостью 74 А-ч и массой 1,5 кг, масса комплекта 470 кг, или из выбранных вариантов - NiMh батареи емкостью 88 А-ч массой 1,92 кг производства компании НИАИ Источник, масса комплекта 653 кг, передаточное число ГП в обоих вариантах 5,125.

На основании проведенных экспериментов установлено, что максимальное расхождение результатов расчета и экспериментальных данных для энергетических свойств не превышает 15,18%, для тягово-скоростных свойств - 8,6%. Этим подтверждается достоверность основных теоретических положений, принятых допущений и гипотез при составлении математической модели методики.

В настоящее время автор совместно с Объединенным инженерным центром Группы ГАЗ осуществляет апробацию разработанной методики в рамках работ по созданию электромобилей ГАЗель-Next Electro, а также проводит экспериментальное исследование его для дополнительного подтверждения адекватности математической модели.

ЛИТЕРАТУРА

1. 2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10. 11.

12.

13.

14.

Блохин А.Н., Грошев А.М., Козлова Т.А., Яржемский А.Д., Серопян М.С. Результаты теоретических и экспериментальных исследований электромобиля на шасси «ГАЗель» - Наука и образование №12. 2012 г.

Гурьянов Д.И. Оптимизация управления электромобилями малой грузоподъемности с приводами постоянного тока - диссертация на соискание научной степени МАДИ Москва 1992 г.

Ионесян А.В. моделирование нестационарных режимов работы аккумуляторной батареи электромобиля - диссертация на соискание научной степени МАДИ Москва 2009 г.

Козлова Т.А. Анализ методик расчета конструктивных параметров электромобиля // Международное научное периодическое издание по итогам Международной научно-практической конференции (04 сентября 2016 г., г. Ижевск) «Новая наука: теоретический и практический взгляд» - Стерлитамак: АМИ, 2016 - 249.

Кравец В.Н. Теория автомобиля - НГТУ им. Р.Е. Алексеева 2007 г. - 368 с.

Нефедов А.Ф., Высочин Л.Н. Планирование эксперимента и моделирование при исследовании эксплуатационных свойств автомобилей. Львов: Вища школа, 1976. - 160 с.

Слипченко Н.И., Письменецкий В.А., Гуртовой М.Ю., Махлова В.О. Определение оптимальной дальности пробега электромобиля с учетом его основных параметров - Восточно-европейский журнал передовых технологий ISSN 1729-3774 4/4 (64) 2013.

Строганов В.И., Козловский В.Н., Сорокин А.Г., Мифтахова Л.Н. Аналитическое моделирование тяговой системы электромобилей и автомобилей с комбинированной силовой установкой - Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - №7. - С. 107-113.

Соболь И.М., Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах с многими критериями. М.: Наука, 1981. - 120 с.

Ящерицын П.И., Махаринский Е.И. Планирование эксперимента в машиностроении. Мн.: Выш. Шк., 1985. - 286 с.

Мокш О.Б., Фолюшняк О.Д., Мокш Б.1., Лобатю В.А. Оптимiзацiя руху завантаженого електромобшя з тяговим електродвигуном постшного струму послщовного збудження по горизонтальному прямолшшному вiдрiзку дороги -ISSN 1997-9266. Вюник Вшницького полггехшчного шституту. 2013. №1.

Blokhin Alexander, Yarzhemsky Alexey, Kozlova Tatyana, Shatilov Alexey. THE RESEARCH OF INDEXES OF OPERATIONAL CHARACTERISTICS OF ELECTRIC LCV // FISITA- World Automotive Congress 2014 - F2014 - EPT - 026.

D.V. Ragone / Review of Battery Systems for Electrically Powered Vehicles / SAE Technical Paper 680453, 1968 - 9 с.

P. Frantzeskakis / Design of a Parallel-Series Hybrid Electric Vehicle Using Multi-Objective Optimization Techniques / Presented in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Applied Science at Concordia University Montreal, Quebec, Canada May 1994 - 185 с.

Kozlova Tatiana Aleksandrovna

Nizhny Novgorod state technical university named after R.E. Alekseev, Russia, Nizhny Novgorod

E-mail: Miss.osja@yandex.ru

Search procedure of the rational design parameters of the electromobile traction drive

Abstract. When designing an electromobile a question about the choice of the drive design parameters is raised. The presented procedure allows you to choose the rational values of the design parameters of the electromobile traction drive without carrying out an experimental study of the battery discharge, taking into account the full-scale model of the vehicle traffic. The design parameters are determined on the basis of analysis of traction - speed and energy indicators of the service characteristics of electromobile, as well as the cost of the battery pack, which are defined during the simulation of electromobile acceleration to the given speed, constant motion and motion in a city cycle. The regression dependences of movement indicators, on the basis of which search of the rational design parameters is carried out using the optimization method or graphical-analytical method, are determined by means of the regression analysis. The experimental research has shown that the mathematical models of procedure adequately reflect the real operation process of engine and the car, as well as the discharge process of traction batteries. Therefore, this design procedure has a right to exist and can be used to assess the engineering changes of the electromobile traction drive.

Keywords: environmental safety; electromobile; transmission line parameters; service characteristics; mathematical simulation of the motion; Ragon curves; optimization