CC BY
74
УДК 629.3+504
ХАРАКТЕРНІ РЕЖИМИ РОБОТИ ГІБРИДНОЇ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ УСТАНОВКИ АВТОМОБІЛЯ
О.П. Смирнов, к.т.н., доцент, В.І. Калмиков, к.т.н., доцент, ХНАДУ
Анотація. Розглянуто систему управління гібридної енергетичної установки транспортного засобу. Проведено аналіз протікання енергетичних потоків при характерних режимах роботи автомобіля.
Ключові слова: гібридний автомобіль, система управління, енергетична установка, електричний двигун, двигун внутрішнього згоряння.
Вступ
Світовий досвід створення екологічно чистих транспортних засобів свідчить про те, що на автомобіль встановлюють так звану гібридну (комбіновану) енергетичну установку, що об’єднує декілька джерел енергії та декілька силових установок, які діють за різними енергетичними принципами. Наприклад, перший серійний автомобіль з гібридною енергетичною установкою Тоуоіа Ргіиє об’єднує двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ), тяговий електричний двигун, генератор змінного струму й акумулятор. Погоджують роботу на всіх режимах планетарний механізм, перетворювач напруги та управляючий комп'ютер.
Автомобіль з гібридною енергетичною установкою не можна назвати на 100 % екологічно чистим. Встановлення на автомобіль гібридної енергетичної установки - це лише перехідний етап до створення екологічно чистого транспортного засобу. Але й такі зміни в конструкції автомобіля вже сьогодні дозволяють з меншими витратами забезпечити вимоги найжорсткіших екологічних норм, знизити на 10-80 % витрати моторного палива та викиди вуглекислого газу в атмосферу, що створюють «парниковий ефект», який сприяє глобальному потеплінню.
Аналіз публікацій
Аналіз тенденцій створення екологічно чистого транспортного засобу показує, що найбільш перспективним напрямком розвитку автомобілебудування на даний час є автомобіль з гібридною енергетичною установкою [1]. Практично усі прогресивні виробники автомобільного транспорту вкладають багато коштів у науково-дослідні роботи для розробки та вдосконалення гібридних енергетичних установок.
Дослідження схемних рішень побудови гібридних енергетичних установок показало, що найбільш перспективними розробками є такі транспортні засоби, що можуть рухатися як у комбінованому режимі, так і тільки на електротязі [2]. Такий принцип роботи гібридної енергетичної установки використовує корпорація Тоуоіа при створенні автомобілів модельного ряду Тоуоіа Ргіиє, Ьехиє ИХ400И, Ьехш в8450И та ін. У таких автомобілів найвищі показники економічності та екологічнос-ті, при цьому потужність та динаміка розгону кращі, у порівнянні з автомобілями аналогічного класу з ДВЗ.
Мета та постановка задачі
Проблему створення екологічно чистих і ефективних транспортних засобів неможливо вирішити без розробки універсальної теорії управління енергетичними потоками в транспортному засобі. Нагадаємо, що для більш економного розходу палива та підвищення екологічної чистоти на гібридний автомобіль встановлюють додатковий тяговий електродвигун, який використовується в автономному режимі для привода автомобіля або в комбінованому з ДВЗ при прискоренні та проводить рекуперацію механічної енергії в електричну при гальмуванні й русі по інерції з заглушеним двигуном внутрішнього згоряння.
Тому актуальною є проблема створення теорії управління енергетичними потоками в автомобілі з гібридною енергетичною установкою. Метою даного дослідження є формалізований опис потоків потужності при характерних режимах роботи гібридної енергетичної установки автомобіля, а задача присвячена побудові схем розподілу енергетичних потоків системою управління гібридною енергетичною установкою транспортного засобу при відповідних режимах роботи.
Аналіз протікання енергетичних потоків в гібридній енергетичній установці
Визначимось, що гібридна енергетична установка використовує різні джерела механічної енергії: двигун внутрішнього згоряння та два тягових електричних двигуни на передньому та задньому мостах. Крім того, в схемі гібридної енергетичної установки присутні акумулятор, перетворювач напруги та електричний генератор, який виконує також функції стартера. Така побудова гібридної енергетичної установки використовується при побудові автомобіля Ьехш ИХ400И і є на даний час найбільш перспективною та ефективною [2]. На структурній схемі цієї гібридної енергетичної установки автомобіля (рис. 1) потоки механічної енергії позначені подвійною стрілкою, а потоки електричної енергії - одинарною.
ДВЗ
Електрична машина 1 —> і— Акумулятор, перетворювач напруги
7 Л
Планетарний механізм —к А Ч Генератор
ї -Ц. ' і
Привід коліс —г А ч— Електрична машина 2
Рис. 1. Структурна схема гібридної енергетичної установки автомобіля
Енергетичні потоки з ДВЗ, генератора, електродвигуна з’єднані в єдиний блок за допомогою спеціального планетарного редуктора. Це дозволяє (в залежності від швидкості та навантаження) здійснювати привід автомобіля або тільки електродвигунами, або комбіновано: електродвигунами та ДВЗ. При цьому зайва енергія двигуна внутрішнього згоряння через генератор та перетворювач напруги заряджує акумуляторну батарею.
Розглянемо деякі характерні режими роботи гібридної енергетичної установки й проведемо аналіз протікання механічних і електричних потоків енергії на цих режимах з відповідним їх формалізованим описом.
Початок руху або рух з невеликим навантаженням на малих швидкостях здійснюється тільки за рахунок потужності електричних двигунів (рис. 2). Саме такий режим характерний для міського циклу, в якому витрата пального у гібридних автомобілів значно нижче, ніж при безперервному русі на великих швидкостях. Передачу потужності від акумуляторної батареї Раб до агрегатів гібридної енергетичної установки у цьому режимі можна представити у вигляді формули (1) перетворення енергії.
Електричний двигун 1
Акумулятор,
перетворювач
напруги
Дорожнє N=1 покриття
Рис. 2. Схема розподілу енергетичних потоків при русі з невеликим навантаженням: ип - напруга перетворювача; /д1, /д2 - струм, який споживають електричні двигуни 1 та 2, Мд1; Мд2 - обертовий момент електричних двигунів 1 та 2; шдЬ шд - кутова частота обертання електричних двигунів 1 та 2; Мпм - обертовий момент планетарного механізму; шпм - кутова частота планетарного механізму; Мо - момент опору коліс з дорожнім покриттям; шо - кутова частота обертання коліс
ІЛ -
ІЯ 2
>Мд1Шд1
>М
(1)
Позначка ^ у формулі (1) відповідає тому, що момент електричних двигунів урівноважується моментом опору коліс з дорожнім покриттям.
При динамічному прискоренні та безперервному русі на великих швидкостях у роботу періодично включається двигун внутрішнього згоряння. Планетарний механізм один потік механічної енергії спрямовує до приводу коліс, другий - до генератора, який виробляє електричну енергію для електродвигунів та заряду акумуляторної батареї (рис. 3).
FL
Fn
ДВЗ
ш.
Мд
Дорожнє
покриття
Шо
Мо
Електричний двигун 1 Ід1 V Акумулятор, перетворювач напруги
ШдЬ. Мд1 /г> иг 7а ип І Ід
Планетарний механізм Шпг Мпг Генератор
ш пм Мпм иг І2 І *
шд2
Привід коліс А— Ч— Електричний
Мд2 двигун 2
Рис. 3. Схема розподілу енергетичних потоків при динамічному прискоренні: Fпал, Fпов - витрата палива та повітря ДВЗ; Мд, шд - обертовий момент та кутова частота ДВЗ; иг - напруга генератора; ІгЬ Іг2, Іа - струм, який споживають електричні двигуни 1 і 2 та акумуляторна батарея; Мпг, шпг - обертовий момент і кутова частота планетарного механізму, яка надається генератору
РАБ _
Передачу потужності від двигуна внутрішнього згоряння РдВЗ до агрегатів гібридної енергетичної установки автомобіля у цьому режимі можна представити у вигляді таких формул перетворення енергії:
Передачу рекуперативної потужності від агрегату до агрегату гібридної енергетичної установки автомобіля при русі по інерції та гальмуванні можна представити у вигляді такої формули перетворення енергії:
РДВЗ = /С^ал > ^ов ) = МДШД
МпмШпм ■
>М„Ш„
игІг1 ^ Мд1Шд1 ^ МпмШпм ^ МоШо
игІг2 ^ Мд2Шд2 ^
иГ ^
При динамічному прискоренні та русі з великим навантаженням, акумуляторна батарея може додавати електричну енергію для привода електричних двигунів (ці потоки енергії умовно показані на рис. 3 пунктирними лініями), що збільшує загальну потужність гібридної енергетичної установки та покращує динамічні характеристики транспортного засобу. Передача додаткової потужності від акумуляторної батареї до агрегатів гібридної енергетичної установки автомобіля аналогічна формулі (1).
При русі по інерції та гальмуванні електричні двигуни перетворюються у генератори. Рекуперативна енергія через спеціальний перетворювач напруги, який змінну напругу перетворює у постійну, заряджує акумуляторну батарею. Двигун внутрішнього згоряння при цьому автоматично відключається. Напрям потоків електричної та механічної енергії на цих режимах показано на рис. 4.
Електричний генератор 1
Шг1
и-1 —►
Іг1
Акумулятор, перетворювач напруги
иг2
Планетарний механізм
Шг
Іг
г2
Шк Шг2
Дорожнє —к Привід К Електричний
покриття Мк коліс Мг2 генератор 2
Рис. 4. Схема розподілу енергетичних потоків при русі по інерції та гальмуванні: Мк, шк - обертовий момент та кутова частота обертання коліс; Мпм, шпм - обертовий момент і кутова частота планетарного механізму, яка надається генератору 1; МгЬ Мг2, шгЬ шг2 - обертові моменти та кутові частоти генераторів 1 та 2; иг1, иг2, Іг1, Іг2 - напруга та струм, який виробляють генератори 1 та 2 для заряду акумуляторної батареї
де иа, Іа - напруга та струм заряду акумуляторної батареї.
Автоматичне управління на всіх режимах здійснює комп’ютер, який постійно регулює напрям та потужність кожного потоку енергії. На всіх зупинках та русі по інерції двигун внутрішнього згоряння автоматично відключається, що особливо актуально при міському циклі руху.
Висновки
Аналіз протікання енергетичних потоків в гібридній енергетичній установці при характерних режимах роботи автомобіля показав, що основна перевага таких схемних рішень, у порівнянні з традиційною схемою автомобіля з ДВЗ, полягає у використанні для привода коліс тягових електричних двигунів, які реалізують максимальний обертовий момент при невисокій частоті обертання. Саме за рахунок того, що ДВЗ працює лише в оптимальному режимі або взагалі не працює, здійснюється значна економія палива та зменшення викидів шкідливих речовин в атмосферу. Крім того, при гальмуванні та русі по інерції з заглушеним двигуном внутрішнього згоряння оборотні електричні машини переходять у генераторний режим і перетворюють рекуперативну механічну енергію в електричну, що використовується для заряду акумуляторної батареї. Це ще один засіб економії палива та підвищення екологічної чистоти автотранспортного засобу.
Література
1. Смирнов О.П. Тенденція створення екологічно
чистого транспортного засобу // Автомобильный транспорт / Сб. научн. тр. - Харьков: Изд-во ХНАДУ. - 2005. - Вып. 17. -С. 103-105.
2. Смирнов О.П. Аналіз схемних рішень побудови
автомобіля з гібридною енергетичною установкою // Вестник ХНАДУ / Сб. научн. тр. -Харьков: Изд-во ХНАДУ. - 2006. - Вып. 32. - С. 41-43.
Рецензент: О.П. Алексієв, професор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 17 січня 2006 р.
РК = М К ШК =
