CC BY
510
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 • 48211. Государственная регистрация №0421200025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Результаты исследования электромобиля на шасси «ГАЗель»
# 12, декабрь 2012
DOI: 10.7463/1212.0499839
Блохин А.Н., Грошев А.М., Козлова Т.А., Яржемский А.Д., Серопян М.С.
УДК 629.113
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
a.n.blokhin@gmail.com groshevnn@mail.ru miss.osj a@yandex.ru m-video@mail.ru besmelkon@mail.ru
В настоящее время усиливается отрицательное воздействие человеческой деятельности на окружающую среду, растет количество промышленных предприятий, транспортных средств, электро- и теплостанций [1].
В нашей стране по данным Министерства Природных Ресурсов и Экологии РФ 42 % загрязнения атмосферы приходится на выбросы автотранспорта, а в крупных городах (Москва, Санкт-Петербург) до 80-90 %.
В 2012 году на планете насчитывается порядка 800 млн. автомобилей, к 2030 г. аналитики прогнозируют двух кратное увеличение автомобилей, т.е. до 1,6 млрд., поэтому проблема загрязнений становится глобальнее с каждым годом.
С выхлопом в атмосферу выбрасываются такие вредные вещества, как сернистые и азотистые соединения, углеводороды, CO, формальдегиды и т.д., что так же неблагоприятно сказывается на экологии. Это приводит к росту заболеваний дыхательных путей, аллергии, заболеваний кровеносной системы. По статистике, 225 тысяч человек ежегодно умирает в Европе от заболеваний связанных с выхлопными газами. Кроме этого, из-за выбросов парниковых газов (например, СО2) возрастает опасность глобального потепления.
По результатам экологических исследований, проведенных Международным энергетическим агентством в 2010 году, выбросы СО2 приходящиеся на транспорт составляют порядка 26 %, причем на автомобильный транспорт (легковые, грузовые автомобили, автобус и мотоциклы) приходится 73,5 % (рисунок 1).
Желе зодорожный
»тотр ¡«спорт
Легковые и пчповые лвтомобили (до 3,5 т.) 22.2 К.
Рис. 1 - Структура мировых выбросов СО2 от транспортного сектора экономики по данным 1ЕА
Проблема загрязнения окружающей среды и глобального потепления является приоритетной для всех развитых стран мира.
Известно, что в Европе в настоящее время действуют экологические нормы Евро 5. Дополнительно к этим нормам в европейском Союзе (ЕС) в апреле 2009 г. приняты Правила № 443/2009, касающиеся ограничения выбросов СО2, в соответствии с которыми поставлена цель к 2012 г. по всему парку от новых легковых автомобилей и грузовых до 3,5 т. достичь выбросов 120 г/км; а к 2020 г. до 95 г/км.
В нашей стране утверждена государственная программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» (распоряжение Правительства РФ от 27.12.2010 г. № 2446-р). В соответствии с целевыми индикаторами и показателями реализации подпрограммы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на транспорте» (Приложение № 13) в 2012 г. доля легковых автомобилей с гибридной силовой установкой и электромобилей среди продаваемых новых автомобилей должна быть не менее 1,4 % (не менее 35 000 шт. в год), а к 2020 г. увеличиться до 4,6 %.
Основными способами снижения выбросов СО2 в мире считаются улучшение топливной экономичности автомобилей, применение биотоплив, использование комбинированных энергоустановок (гибридов) и применение электромобилей (рисунок 2).
Рис. 2 - Структура методов снижения СО2 по данным 1ЕА
Сравнительно дешевые резервы повышения топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания исчерпываются, а разработка новых систем, соответствующих новым нормам и требованиям ЕЭК ООН обходится слишком дорого. Установлено, что удорожание стоимости легкового автомобиля только за установку систем, обеспечивающих переход от Евро III к Евро IV составляет порядка 1000$.
В настоящее время автомобили с гибридной силовой установкой (гибриды) и электромобили приобретают все большую популярность. Электрификация транспорта путем перехода к гибридам и электромобилям безусловно улучшит экологическую обстановку в городах, но полностью при этом не решает экологических проблем, поскольку эти проблемы переходят из транспортного сектора в энергетический. Однако контролировать выбросы вредных веществ электростанций, производящих электроэнергию для электромобилей или гибридных транспортных средств гораздо проще и дешевле, чем всех эксплуатирующихся транспортных средств. Переходу к электромобилям и гибридным транспортным средствам также способствует существенный рост цен на нефть в мире, который в свою очередь приводит к увеличению стоимости автомобильного топлива (рисунок 3).
1 50
д Яндекс
Рис. 3 - Изменение мировых цен на нефть Brent
Сдерживающим фактором массового применения электромобилей на сегодняшний день является высокая стоимость аккумуляторных батарей - основной составляющей стоимости транспортного средства. Аккумуляторные батареи занимают много полезного пространства и значительно снижают грузоподъемность автомобилей. Однако с каждым годом их массово-энергетические характеристики улучшаются при одновременном снижении стоимости.
Следует отметить, что гибридные автомобили в настоящее время имеют тенденции к увеличенным пробегам только на электротяге без использования двигателя внутреннего сгорания, например, у Chevrolet Volt до 64 км (40 миль), поэтому суммарная энергоемкость аккумуляторных батарей у гибридов тоже увеличивается.
Исследованиями и производством аккумуляторных батарей занимаются и в нашей стране. В 2011 г. в г. Новосибирск открылся завод по производству современных высокоемких литий-ионных аккумуляторов для электротранспорта и энергетики (компания «ЛиоТех»), изготовляемых по технологиям компании Winston Battery (Китай). Современные литий-железо-фосфатные аккумуляторы, выпускаемые Winston Battery имеют энергоемкость
до 100 Вт*ч/кг и числом циклов разряда-заряда до 6000, что значительно превосходят возможности тяговых свинцовых аккумуляторных батарей.
На основании выше изложенного можно сделать вывод, что исследование и создание гибридных транспортных средств и электромобилей является актуальной проблемой. Решение данной проблемы усложняется и тем, что пока не существует единой общепринятой классификации данных транспортных средств. Поэтому, разделим электромобили и гибриды по классам только в зависимости от грузоподъемности:
1) Мини-электромобили - являются промежуточным вариантом между автомобилем и мотоциклом;
2) Электромобили по своей вместительности и грузоподъёмности соответствующие мало- и средне-литражным легковым автомобилям;
3) Электромобили класса микро-автобусов и мини-грузовиков грузоподъёмностью до 1,5 тонны (класс легких коммерческих автомобилей LCV). Аналоги - Грузовой электромобиль Edison с полной массой до 3,5 тонны, Peugeot eMonarch (электробус) и Peugeot eBoxer (грузовой электромобиль с металлическим фургоном);
4) Электромобили с грузоподъёмностью до 3 тонн. Аналоги - электромобили «Фарадей» и Modec;
5) Электромобили грузоподъёмностью до 5 тонн и электробусы вместительностью около 50 мест. Аналог - электромобиль «Ньютон» с полной массой 7,2 тонны;
6) Электромобили грузоподъёмностью более 5 тонн, в том числе и в виде седельных тягачей;
7) Электромобили большой вместимости, в том числе с гибридным приводом. При эксплуатации таких гибридных конструкций электробусов экономия моторного топлива достигает 35 %;
Производство электромобилей второго и третьего типоразмеров является задачей первоочередного порядка. Эти типы электромобилей должны иметь расширенные возможности по универсальности, так как потребуются для замены части легковых, небольших грузовых автомобилей и микроавтобусов разных назначений в городских условиях и в сельской местности.
Применительно к Российской Федерации следует отметить, что по техническому уровню легковые автомобили малого и среднего классов существенно проигрывают своим зарубежным аналогам и создавать конкурентоспособный электромобиль на их основе не целесообразно. В тоже время Россия является мировым лидером по выпуску легких коммерческих автомобилей. Диаграмма, характеризующая состояние автомобильного рынка в России в 2011 г. представлена на рисунке 4.
Основными автомобилями, выпускаемыми Группой ГАЗ, как известно, является модели «ГАЗель», которые входят в LCVсегмент и пользуются большим спросом на рынке не только в нашей стране, но и в странах ближнего и дальнего зарубежья. Они имеют большое количество модификаций с разными типами кузовов (бортовый вариант, цельнометаллический фургон, микроавтобус) и колесной формулой (задне- или
полноприводные автомобилями), чем обеспечивается удовлетворение потребностей в различных областях народного хозяйства.
Рис. 4 - Рынок коммерческого транспорта в России
Поэтому, в условиях России целесообразно на шасси автомобилей «ГАЗель» разрабатывать электромобили из класса ЬСУ.
Разрабатываемые в настоящее время электромобили должны соответствовать не только современным требованиям, но и требованиям перспективы. Технические характеристики лучших мировых аналогов транспортных средств с электроприводом, планируемых к серийному выпуску в 2012 г. представлены в таблице 1. Их внешний вид - на рисунке 5 [2, 3].
Таблица 1 - Технические характеристики, выпускаемых серийный электромобилей
Модель МЫес Edison ЕсоБаПу Е1есШс 35Б БоМ Тга^к Е1есШс 2егоТгиск
Максимальная мощность двигателя, кВт (л.с.) 76,1 (102) 90 (120,6) Номин 30 (40) Пик. - 60 (81) 55(280) 100 (134)
Масса: Полная масса, т Грузоподъемность, т 5,49 2,0 3,5 или 4,6 1,22 или 2,3 3,5 3,5 0,7 5,4...8.1 2,3...4,9
Максимальная скорость, км/ч 80 80 70 120 96
Шины, колеса 205/75Ю7,5 205/75Ю6 или 185/75Ю6 195/75Ю6 205/65Ю6 195/70Ю5 285Ю6Е
Lithium
Тип аккумуляторных батарей Устанавливает ся по заказу потребителя Ion Iron Phosphate (Li Fe ph4) Натрий-никельхлоридные Литий-ионные Lithium polimer
Емкость
аккумуляторных батарей, кВт.ч 60 40 н/д 28 50
2- или 3-
Трансмиссия Бесступенчатая ступенчатая,
автомат.
Пробег на одной зарядке, км 160 160 90-120 130 100...120
EcoDaily Electric 35S Ford Transit Connect Electric
ZeroTrack
Mitsubishi Fuso Canter E-CELL
Рис. 5 - Серийные грузовые электромобили LCV - сегмента
В Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева в настоящее время при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках государственного контракта по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 г.г.» проводятся работы по созданию электромобилей на шасси автомобилей «ГАЗель» и исследования работоспособности их узлов и агрегатов. Разработан и изготовлен первый прототип экспериментального образца электромобиля на базе шасси автомобиля ГАЗ-3302: НГТУ-Электро [4, 5]. Кинематическая схема трансмиссии и принципиальные решения, выбранные при компоновке шасси представлены на рисунках 6 и 7.
Рис. 6. - Кинематическая схема трансмиссии НГТУ-Электро
Рис. 7. - Компоновочные решения для шасси НГТУ-Электро
1 - аккумуляторные батареи; 2 - электродвигатель; 3 - карданная передача; 4 - задний ведущий мост; 5 - инвертер; 6- зарядное устройство
Для определения основных параметров двигателя и трансмиссии транспортных средств, обеспечивающих ему требуемые тягово-скоростные свойства, и затраты энергии для движения в заданных условиях выполняют тяговый расчет. Данный расчет производят в два этапа. На первом этапе, задавшись определенными условиями движения, рассчитывают конструктивные параметры двигателя и трансмиссии. На втором этапе с использованием этих параметров строят ряд графиков, по которым затем определяют показатели тягово-скоростных свойств, проходимости, энергоэффективности и подвижности.
Определим показатели тягово-скоростных свойств и затрат энергии для автомобиля «ГАЗель» с семью возможными вариантами электродвигателей и проведем сравнение с бензиновым аналогом машины, имеющий двигатель УМЗ-4216. Для этого выберем электродвигатели марок Siemens 1PV5135-4ws24, Siemens -1PV5135-4ws28, AZD AC55, AZD AC90, Remy HVH250, UQM 125, UQM-PP200, которое могут быть установлены на автомобили класса LCV.
Исходные параметры для расчета показателей тягово-скоростных свойств представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Исходные данные по автомобилю для выполнения расчета
№ Параметр Обозначение Значение
1 Полная масса транспортного средства, кг ma 3500
2 Снаряженная масса автомобиля с mH 2550
электродвигателем, кг
3 Снаряженная масса автомобиля с двигателем mH 2000
внутреннего сгорания, кг
4 Колесная формула транспортного средства 4х2
5 Максимальная скорость, км/ч Vmax 95
6 Коэффициент сопротивления качению при f 0,012
малых скоростях
7 Коэффициент влияния скорости на A 0,0004
увеличения силы сопротивления качению
8 Коэффициент лобового сопротивления Cx 0,51
9 Радиус качения колеса, м rk 0,33
10 Максимальный коэффициент сопротивления W A max 0,25
движению
11 Коэффициент сопротивления движению при максимальной скорости Wv 0,002
12 КПД трансмиссии птр 0,92
13 Площадь миделева сечения, м2 Ав 4,69
14 Передаточные числа коробки передач* Uki Uk2 2,34 1
15 Передаточные числа коробки передач автомобиля «ГАЗель» в случае использования бензинового двигателя УМЗ-4216 Uki Uki Uki Uki Uki 4,05 2,34 1,395 1,0 0,849
16 Передаточное число одноступенчатого редуктора** Uk 2,4
17 Передаточное число главной передачи Uo 5,125
* Для случая с двигателем AZD AC55.
** Для случая с двигателями Siemens 1PV5135-4ws24, Siemens -1PV5135-4ws28, AZD AC90
Важными исходными данными для расчета являются внешние скоростные
характеристики электродвигателей и двигателя внутреннего сгорания УМЗ-4216, представленные на рисунке 4.1.
Основные технические параметры рассматриваемых в расчете двигателей представлены в таблице 4.2.
140
120
100
ей
« ю
о
| 60
о £
40
20
\
\ у / / V Ч Ч >
;_.] /; / / / / %
Ч \ \\ ч
Ш Л * \\\ N. N ■•к V. X.
/// II - \Л X? " ""и. к -ч. ъ,
4/ Г ч .
700
600
500
400 = £
■и
ЭОО I
200
100
О
200 400 600 В00
Угловап скорость, рад/с
100(1 1200 — АгОАСЗО
б)
Рис. 8 - Внешние скоростные характеристики электродвигателей (пиковые значения) и двигателя внутреннего сгорания УМЗ-4216
Таблица 3. Основные параметры электродвигателей и ДВС
Параметр Siemens 1PV5135-4ws24 Siemens 1PV5135-4ws28 AZD AC55 AZD AC 90 УМЗ-4216 UQM 125 Remy HVH 250 UQM-PP200
Тип двигателя индукторный асинхронный бензино вый синхронный с постоянными магнитами
Номинальная мощность, кВт 61 67 25 50 78,5 45 130 115
Пиковая мощность, кВт 150 120 60 97 — 125 170 200
Обороты при номинальной мощности, об/мин 500010000 400010000 2000 1350 4000 50008000 5500 3500-5000
Номинальный момент, Нм 160 160 140 330 220,5 150 270 450
Пиковый момент, Нм 370 430 280 665 — 300 320 900
Обороты при номинальном моменте, об/мин 0-3000 0-3000 0-2000 1350 2500 2500 0-500 0-1250
Максимальные обороты, об/мин 10000 10000 5000 5000 4200 8000 10000 5000
Вес, кг 86 86 106 189 220 41 49 95
Дополнительно отметим, что в трансмиссии автомобиля ГАЗель с двигателем внутреннего сгорания используется пятиступенчатая коробка передач (см. таблицу 2), с электродвигателем AZD AC 55 - двухступенчатая коробка, с электродвигателями Siemens 1PV5135-4ws24, Siemens -1PV5135-4ws28 и AZD AC90 - одноступенчатый редуктор, а с двигателями UQM-PP200, Remy HVH250 - коробка передач вообще отсутствует и крутящий момент от электродвигателя непосредственно передается на карданную передачу и задний ведущий мост, который во всех рассматриваемых случаях оставлен штатным без изменений, с передаточным числом U0=5,125. (рисунок 6, 7).
Важнейшим соотношением, на основании которого определяется максимальная скорость движения транспортного средства является мощностной баланс (рис. 9), который показывает зависимость мощности на ведущих колесах и мощности сопротивления движению от скорости.
PT = P, + PR ± PT + P , (1)
T f B I a' v '
где Pt - мощность на ведущих колесах;
Ру - мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления качению;
Рр - мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха; Ру - мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления; Р^ - мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления разгону; Р^ = Р^тр - тяговая мощность на ведущих колесах, (кВт);
Ру = V - мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления качению,
(кВт);
где / = у о (1 + ЛУ2) - коэффициент сопротивления качению, V - скорость движения, (м/с);
/о = 0,012 - коэффициент сопротивления качению при минимальной скорости
движения;
Оа - вес транспортного средства, Н.
Рр = Ш - мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха, (кВт);
где Ж - фактор обтекаемости, Ж=0,5СхреАв, здесь рв - плотность воздуха, Сх - коэффициент аэродинамического сопротивления, Ав - площадь миделева сечения.
Скорость движения определяется по выражению:
г ®
у = 36 к е , км/ч, (2)
' ЩЩ
где Щ - передаточное число коробки; и00 - передаточное число главной передачи, г^ - радиус качения.
На основании рисунка 9 можно установить максимальные скорости движения транспортного средства на дорогах с асфальто-бетонным покрытием. Отметим, что автомобиль с бензиновым двигателем УМЗ-4216 имеет максимальную скорость Утах= 115 км/ч.
Наименьшие (худшие) значения максимальной скорости будут в случае использования двигателя АС55 с двухступенчатой коробкой передач Утах=85 км/ч. При этом следует учитывать, что данная скорость достигается в пиковом режиме работы электродвигателя, а, следовательно, не может поддерживаться длительное время на этом уровне. Анализ таблицы 1 показал, что скорость 80 км/ч в длительном режиме движения имеют лучшие мировые аналоги. Вариант автомобиля ГАЗель с двигателем ЛС55 и
двухступенчатой коробкой передач (ГАЗель-Электро, Группы ГАЗ) был реализован в 2009 г. и не имел успеха по своим потребительским свойствам.
С точки зрения показателя максимальной скорости на граничном уровне находиться и вариант с электродвигателем Яету ИУИ 250 и АС90. Здесь максимальная скорость
достигается на уровне Утах=86 км/ч и Утах=90 км/ч соответственно в пиковом режиме работы электродвигателя. Тем не менее, с учетом требований перспективы, отметим, что данный вариант перестанет удовлетворять показателям максимальной скорости в ближайшие
1-2 года, т.к. возрастающие скорости движения электромобилей городских условиях требуют иметь максимальную скорость не менее Vmax=95 км/ч в режиме длительного движения. Поэтому, данный вариант с точки зрения показателя максимальной скорости считаем тоже не достаточно приемлемым.
Следующим вариантом, является автомобиль с электродвигателем UQM-125. Здесь в пиковом режиме работы электродвигателя максимальная скорость составляет Vmax=96 км/ч.
Хорошими вариантами с точки зрения максимальной скорости являются автомобиль с двигателями Siemens 1PV5135-4ws24, Siemens 1PV5135-4ws28 и. Здесь максимальная скорость на требуемом уровне достигается в длительном режиме работы электродвигателей, без их ограничения по нагреву.
Наиболее приемлемыми показателями с точки зрения максимальной скорости достигаются с использованием на электромобили электродвигателя UQM-PP200. Следует отметить, что по показателю максимальной скорости автомобиля, машины с электродвигателями Siemens 1PV5135-4ws28 и UQM-PP200 будут на уровне бензинового аналога с двигателя УМЗ-4216.
Для оценки потенциальных возможностей транспортных средств по преодолению дорожных сопротивлений или динамики разгона в заданных дорожных условиях используют динамический фактор, который определяется по выражению:
180
160
140
ей
£
t о
3" 120 о
100 80 60 40 20 0
/
/ 'г /
/
/ / —
/// / Скор ОСТЬ, Км/ч
20
40
60
80
100
120
140
Мощность corp. движению • AZD АС55 (2-х ступ. КПП)_пик - УМЗ-4216 (IV и V передами) ■UQM-PP200
■■■ Si е m е ri s_l PV513 5_4ws24_n и к — Siemeris_lPV5135-4ws24_con5t
-Remy
-MES200-330W
а)
140 120 100
I- 80 ей
Ж
£
и О
60
i
2 40
20
0
> J 1 ,--- ----
У
// /у // N ■v.
// // Г/
20 40
•Мощность сопр. дор. ■ AZD АС90
60 80 100 Скорость, км/ч
Мощность сопр. воздух -UQM_125
120
140
160
• Мощность сопр. движению •Siemens 5135ws2&
б)
Рис. 9 - Мощностной баланс автомобиля с электродвигателями
D,f
— f ?ns!PV5135^4ws24_nnK \C55 {2-х ступ. КПП)_пик ЛЛ^ 1 DWC1 Dei ||шг1Л
Л ......Sienri -AZD
/ л -УМЗ- UQM 4216 (1 пере,д -РР200 пик tana)
\ -Rem^ '_250_пик
\
- \
ч Ч ч \ .. ч, «ч ч \
__ , , , , , — -. —.. - -------1--------
20
40
60
80
100 120 .140
Скорость, км/ч
а)
□л
0,3
0,25
0,2
0,15
ОД
0,05
_ * __ . - ■ "V
\ N \ V
\ \ N4
Ч \ \
ч Ч
\ N
20
40
60
120
80 100 Скорость, км/ч
■АгОАСЭО--110М_125 -5|епгтпз_и/з28
140
160
б)
Рис. 10 - Динамическая характеристика автомобиля
в Ев
о„
где ^ - тяговая сила на ведущих колесах;
¥ Те • ик •и 0
рт =—:—
, здесь Те - крутящий момент двигателя;
- сила сопротивления воздуха; = ЖУ2, где Ж - фактор обтекаемости. В В
(3)
Зависимость динамического фактора от скорости называется динамической характеристикой транспортных средств. Для рассматриваемых случаев она представлена на рисунке 10.
Величина динамического фактора зависит в первую очередь от крутящего момента двигателя, передаточных чисел трансмиссии и КПД трансмиссии, радиуса колес, которые в свою очередь определяют тяговую силу на ведущих колесах. Кроме этого, с увеличением скорости возрастает значимость фактора обтекаемости, который заметно снижает динамический фактор.
к
По полученным значениям максимального динамического фактора можно ориентировочно судить о максимально преодолеваемом дорожном сопротивлении. Для автомобиля LCV класса угол подъема должен быть менее 25%. Это условие не выполняется в вариантах с двигателями AZD АС55, UQM 125 и Remy HVH250, где угол максимальный подъема составляет около 23% в пиковом режиме работы электродвигателя. Учитывая, что в данном режиме двигатель может работать недолго (порядка 30 сек. - 1 мин.), то реальные показатели преодолеваемого угла подъема будут существенно меньше.
При работе в пиковом режиме (до 30 сек.) преодолеть подъем свыше 25% может автомобиль с двигателями Siemens 1PV5135-4ws24, Siemens 1PV5135-4ws28. Но и здесь, в длительно действующем режиме движения максимально возможное значение динамического фактора резко снижается, что позволяет преодолевать подъемы не более до 12%.
Наиболее приемлемые значения по преодолеваемому углу подъема достигаются при использовании электродвигателя UQM-PP200, когда в пиковом режиме возможно преодоление подъема в 36%, в длительно действующем режиме до 20%. Следует отметить, что по данному показателю эксплуатационных свойств бензиновый аналог превосходит электромобили, поскольку на первой передаче в режиме длительного движения может преодолевать подъемы порядка 30%.
Также для оценки динамических свойств автомобилей произведем построение графиков времени разгона (рисунок 11). Время движения автомобиля Att, в течение
которого его скорость возрастает на AVt, определяют по закону равноускоренного движения. Время разгона машины в i-ом интервале:
2(Vi-Vi-i)
At: = -, (4)
щ-1+щ
где V-i, Vt_ -j - скорость машины в конце и в начале интервала соответственно;
0.irQ.i_± - ускорение машины в конце и в начале интервала соответственно,
( d - f ) g
определяемые по выражению a =-, где 5 - коэффициент учета вращающихся масс.
5
В таблице 4 представлены основные показатели тягово-скоростных свойств автомобиля «ГАЗель» с различными вариантами электродвигателей и с двигателем УМЗ-4216.
т
■—. I
* 120 л
Б о а
о юо и
80
60
40
20
_ t. —i
/ // / "" / ^ ** ......Siemen Л7П ЛГ s lPV5135_4ws 24_пик
/ Лг 4 hw / ..........¡/ff.......... / ✓ ✓ — -Siemen -УМЗ-42 s_lPV5135-4ws 16 24_const
ff / Jf / // -Remy_i -UQM-P 50 P200
10
20
30
40 50 60
Время разгона, с
а)
160
140
120
100
е
и О О.
о
X
и
80
60
40
20
А // / * *
А /f
10
20
AZDAC90
30 40
Время разгона, с
• UQM_125 -Siemens_ws28
б)
50
60
Рис. 11 - Время разгона автомобиля
Таблица 4 - Основные теоретические показатели тягово-скоростных свойств автомобиля
«ГАЗель»
Параметр Вариант двигателя
1РУ5135-4ws24 1РУ5135-4ws28 А2Б АС55 А2Б АС 90 иом 125 Яешу ИУИ 250 иом РР 200 УМЗ-4216
Максимальная скорость, км/ч 95 115 80 90 96 86 122 115
Максимальный преодолеваемый подъем, % 34 25 23 25 23 23 36 34
Время разгона до скорости 60 км/ч в пиковом режиме 6,7 8,5 18,0 9,7 8,7 10,8 6,0 12,4
Время разгона до скорости 80 км/ч в пиковом режиме 10,2 12,5 — 24,0 12,5 21,0 9,0 21
По полученным результатам динамики разгона и показателям скоростных свойств автомобиля «ГАЗель» следует отметить, только наилучшие значения при использовании различных электродвигателей достигаются с использованием электродвигателя И0М-РР200. Кроме этого, только с данным электродвигателем в пиковом режиме возможно получение лучших результатов, чем в варианте с бензиновым двигателем УМЗ-4216.
Таким образом, в целом потенциальные показатели тягово-скоростных свойств автомобиля «ГАЗель» с электродвигателем И0М-РР200 находятся на уровне бензиновых прототипов и не уступают лучшим мировым аналогам электромобилей данного класса.
Поэтому, на создаваемом в НГТУ экспериментальном образце электромобиля было принято решение установить электродвигатель И0М-РР200 (рисунок 12).
Рис. 12. - Внешний вид электродвигателя UQM-PP200 с инвертером
Для оценки энергетических затрат (энергетических свойств) электромобиля (например, пробег/радиус действия электромобиля на одной зарядке) целесообразно проводить исследования в городских условиях движения. Моделировать движение транспортного средства следует с помощью существующих городских ездовых циклов. Ездовые циклы [5] представляют зависимость скорости движения от времени, причем в каждый момент времени нормируются значения ускорений, замедлений и участков постоянной скорости, выполняемых в определенной последовательности. Для легковых и легких коммерческих автомобилей (полной массой до 3,5 т.) протяженность европейского городского цикла -1,013 км, продолжительность - 195 сек, средняя скорость за цикл - 19,0 км/ч, максимальная скорость - 50 км/ч. Городской цикл состоит из четырех простых городских циклов, представленных на рисунке 2. Время движения в одном простом городском цикле составляет 195 с., а общее время движения в цикле 780 с.
Рис. 13 - График простого европейского городского цикла
В рамках данного исследования в программном комплексе МЛТЬЛВ/БтиНпк разработана математическая модель движения легкого коммерческого автомобиля с электроприводом, которая позволяет оценить затраты энергии при движении в городском цикле с использованием уравнения (1). Кроме уравнений динамики транспортного средства [4, 5], базовая модель включает модели компонентов электропривода, которые представлены статическими характеристиками КПД (для батарей и электромашины).
Кинематическая схема транспортного средства с электроприводом представлена на рисунке 6, исходные параметры для моделирования в таблице 2 и в таблице 5. Для примера на рисунке 14 представлена основная подсистема 81шиНпк-модели.
Таблица 5 - Характеристики аккумуляторов энергии
Параметр Значение
Аккумуляторы (фирма, тип) Winston Battery (Китай) литий-железо-фосфатные
Маркировка WB-LYP100AHA
Номинальная емкость, Ач 100
Диапазон рабочих напряжений, В 2,8...4,0
Максимальный зарядный ток, А 300
Максимальный ток разряда, А 50
Число циклов заряда-разряда (при разряде не 5000
более 70%)
Саморазряд, не более 3% (в месяц)
Температурный диапазон (заряд, разряд) -45°С...85°С
Габаритный размеры, мм 179х62х241
Масса, кг 3,5
Средняя энергоемкость аккумуляторных 56
батарей, кВт.ч
Рис. 14 - Подсистема расчета параметров динамики электромобиля в условиях городского цикла
На рисунках 15-17 показаны основные результаты имитационного моделирования движения автомобиля с электроприводом в условиях городского цикла.
Рис. 15 - Интенсивность разгона в городском цикле
Потери энергии в тяговой системе за расчетный европейский ездовой цикл отличаются для разных типов тяговых систем и, таким образом, являются характеристикой энергетического качества тяговой системы. Оценить потери энергии позволяет мощность на валу электродвигателя, необходимая для движения в городском цикле (рисунок 17).
Крутящий момент Те. Нм
140
120
100
30
60
20
20
40
60
1
- 1 г
- " г 1
1
1 1 1 1 1 1 \
80
100
120
140
160
180 200
Время X, с
Рис. 16 - Характер изменения крутящего момента на валу электродвигателя
Рис. 17 - Зависимость мощности на валу электродвигателя, необходимой для движения в городском цикле
Расход энергии аккумуляторной батареи определяется выражением [1]:
W = WE - WP =-
i p
M тяг
dt
Пм
■Пб
ПБ зар ■ ПМ
\ P
М ген
dt
(5)
_ разр
где щ - степень использования аккумуляторной батареи (накопителя); щ - КПД электродвигателя; PM - мощность на валу электродвигателя. Дополнительные индексы соответственно для электродвигателя: тяг - тяговый режим; ген - генераторный режим, для аккумуляторной батареи: зар - режим зарядки (рекуперации), разр - режим разрядки (тяговый).
В соответствии с выражением (5) и данными на рисунке 17 определим составляющие расхода энергии аккумуляторной батареи. Общий расход энергии в простом городском цикле составил WБ = 750 кВт с, а энергия, которая могла бы возвратиться (энергия рекуперации) равна Wp =239 кВт с. Учитывая, степень использования литий-ионной аккумуляторной батареи SOC = 75 % [1], можно ожидать возврат энергии Wp=179 кВт с.
Пересчитывая полученные значения для всего европейского городского цикла (состоящего из четырех простых городских циклов), получаем расход энергии из аккумуляторных батарей за 1 городской цикл WБ = 0,83 кВтч, а ее возврат в батареи WP = 0,2 кВтч, т.е. суммарный расход энергии батарей в городском цикле^^ -WP) =0,63 кВтч.
Откуда, нетрудно определить, что за один час работы в городском цикле суммарный расход энергии будет равен (ЖБ - WP) =2,9 кВтч, а в расчете на пройденный путь (ЖБ - WP)yd =0,158 кВтч/км.
ген
С учетом средней скорости движения в цикле [5], выбранной энергоемкости аккумуляторной батареи (таблица 5) и полученных затрат энергии, пробег на одной зарядке электромобиля в городском режиме движения для рассматриваемого случая составит 1=199,5 км.
Следует отметить, что проведенный расчет не учитывает дополнительных потребителей энергии, связанных с отоплением салона, системой кондиционирования, освещения и т.д. В первом приближении эти затраты целесообразно учесть общим коэффициентом увеличения расхода энергии на 25 % [1]. С учетом данных затрат энергии ожидаемый теоретический пробег электромобиля на одной зарядке в городском цикле составит £=160 км.
На рисунке 18 представлен внешний вид экспериментального образца электромобиля НГТУ-Электро.
а) Внешний вид электромобиля б) Сборка электромобиля
в) Испытания на стенде с беговыми барабанами Рис.18 - Экспериментальный образец электромобиля НГТУ-Электро
Рис. 19 - Расположение основных компонентов электропривода в моторном отсеке: 1-Аккумуляторная батарея 12В; 2-ОС/ОС преобразователь; 3-коммутационная коробка; 4-
инвентер; 5-вакуумный усилитель;
Рис. 20 - Расположение тумблеров включения двигателя и выбора направления движения
в кабине транспортного средства: 1-тумблер включения двигателя; 2-блок выбора направления движения; 3-световой индикатор; 4-педаль тормоза; 5-педаль «газа»;
Для определения затрат энергии при движении экспериментального образца электромобиля были проведены экспериментальные исследования. На тормозном стенде был произведен анализ распределения массы автомобиля по осям и анализ тормозных сил на колесах. Результаты анализа приведены в таблице 6.
Таблица 6 - Распределение снаряженной массы шасси по осям
Распределение массы, кг
Электромобиль Базовое шасси
Передняя ось 1210 1040
Задняя ось 970 510
Суммарная масса 2180 1550
По результатам взвешивания (таблица 6) отметим улучшение развесовки электромобиля по сравнению с базовым шасси. На переднюю ось электромобиля приходиться 55 %, на заднюю 45 %, в то время как у базового шасси «ГАЗель» 67 % на переднюю и 33 % на заднюю.
Экспериментальный образец электромобиля в снаряженном состоянии весит больше на 630 кг, по сравнению с базовым шасси автомобиля «ГАЗель», следовательно, ожидаемая грузоподъемность в случае автомобиля с бортовой платформой составим 900 кг. Данные весовые показатели электромобиля соответствуют лучшим зарубежным аналогам (таблица 1).
При проведении дорожных испытаний на автомобиль устанавливалась система virtualbox racelogic VB20SL3 - система спутникового измерения параметров автомобиля: скорости, ускорения, углов крена (рисунок 21, 22). Используя GPS приемник и 3 антенны, прибор VB20SL3 может вычислять не только скорость и направление движения ТС (транспортного средства), на котором он установлен, но и углы скольжения, наклона, крена. Данные записываются на карту памяти формата SD, а также имеется возможность передачи данных через CAN выход, USB порт или последовательный выход для мониторинга в реальном времени, либо постобработки с помощью предустановленного VBOX Tools.
Рис. 21 - Блок управления УВ20БЬ3
Рис. 22 - Дисплей системы Racelogic
Расположение антенн на шасси автомобиля выполнено на крышки аккумуляторных батарей и показано на рисунке 23.
Рис. 23 - Схема установки спутниковых антенн
Блок управления спутниковой системой установлены в кабине электромобиля. Снимаемые при движении автомобиля характеристики отображаются на экране компьютера в режиме реального времени. Питание системы осуществляется от бортовой сети автомобиля напряжением 12В.
Рис. 24 - Блок управления сисемой Racelogic и вывод данных на экран компьютера
Дорожные испытания проводились в летний период времени на сухом асфальтобетонном покрытии при температуре +18°.. ,+20°С.
Результаты проведения испытаний представлены на рисунках 25 - 29. На рисунке 25 представлены мгновенные значения скорости движения электромобиля при разных заездах, на рисунке 26 - траектория движения транспортного средства, по которой совершались заезды в одну и другую стороны, на рисунке 27 - величины продольного ускорения транспортного средства и на рисунке 28 - значения угла бокового скольжения или увода автомобиля.
: :
1 1 1
! ! !
¡1
■I
¡1
/ ! ! ! 1 ¡1
/ : : : : : : :
/ ! Г Г ! ^ ] г
Г : : : :
/ 1
/ ; : : ! : : : ]
7 ! ! ! ! ! ! ! Т;|
7 : ! ! : ! ! ! Г1
7 : : ; ; : ; Г;1
Г | : : : : : : V'
1 ! : : ! Ь
11 ..............;..............[..............!_..............!..............; ______________1______________:____________________________ У
1 1
*
--------------1--------------!--------------[..............
1 • ...............и
[ ■1
400 600
1 200 1 400
те!геэ
Рис. 25 - Графики изменения скорости в зависимости от пройденного пути
О 1 ООО 2 ООО
Рис. 26 - График траектории движения транспортного средства
О 200 400 600 800 1 ООО 1 200 1 400 1 600 1 800 2 ООО 2 200 2 400 2 600
тйгев
Рис. 27 - График изменения продольного ускорения в зависимости от пройденного пути
О 200 400 600 800 1 ООО 1 200 1 400 1 600 1 800 2 ООО 2 200 2 400 2 600
гпйгев
Рис. 28 - График угла бокового скольжения (увода)
При движении электромобиля текущие параметры работы системы аккумуляторов отображаются на мониторе, показанном для примера на рисунке 29.
При движении по измерительному участку со средней скоростью 39 км/ч (рисунок 25) средний суммарный расход электроэнергии составил 0,94 кВт.ч. Общий пройденный путь (испытательный участок) равен 2,4 км (рисунок 26). Таким образом, удельный расход электроэнергии составил 0,39 кВтч/км. С учетом того, что энергоемкость аккумуляторных батарей составляет 56 кВт.ч, то следует ожидать пробег электромобиля в этих условиях порядка 1 45 км на одной зарядке.
Полученные значения пробега на одной зарядке будет уточняться при дальнейших экспериментальных исследованиях в осенний и зимний период. В целом можно, ожидать, что пробег на одной зарядке будет соответствовать современный мировым аналогам (таблица 1).
Рис. 29 - Монитор, отображаюший информацию о текушем состоянии систем электромобиля
По техническим решениям, заложенным при разработке электромобиля, получен патент РФ на полезную модель №110036 от 24.05.11 г. и подана заявка на полезную модель №2012141848 от 01.10.2012 г.
Список литературы
1. Электромобиль: Техника и экономика / В.А. Щетина, Ю.А. Морговский,
Б.И. Центнер, В.А. Богомазов; Под общ. ред. В.А. Щетины.- Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1987. - 253 с.
2. Smith Electric Vehicles [Электронный ресурс]: [офиц. сайт]. - Режим доступа: http://www.smithelectricvehicles.com/index.asp (дата обращения 23.11.2012).
3. Modec Limited [Электронный ресурс]: [офиц. сайт]. - Режим доступа: http://www.modeczev.com/ (дата обращения 23.11.2012).
4. Грошев А.М. Концепция создания электромобилей LCV класса / А.М. Грошев,
А.Н. Блохин, С.Ю. Костин, М.С. Крашенниников // Автотранспортное предприятие. -2012. - № 1. - С. 42-49.
5. Блохин А.Н. Расход энергии транспортного средства с электроприводом при движении в городских условиях / А.Н. Блохин, В.В. Беляков, Д.В. Зезюлин // Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2012. - № 1(53). - С. 21-25.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE RAIJMAN MS TU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. №0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Research data on the electric vehicle with "Gazelle" chassis # 12, December 2012 DOI: 10.7463/1212.0499839
Blokhin A.N., Groshev A.M., Kozlova T.A., Yarjemskii A.D., Seropyan M.S.
Russia, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
a.n.blokhin@gmail.com groshevnn@mail.ru miss.osj a@yandex.ru m-video@mail.ru besmelkon@mail.ru
The authors describe reasons for creating environmentally friendly vehicles, such as electric vehicles with a hybrid power plant. Specifications of the best known world analogues of electric LC vehicles are presented in this work. The authors consider features of the experimental model of the "NNSTU-Electro" electric vehicle created on the basis of "Gazelle" chassis developed and produced in the NNSTU. The results of theoretical and experimental studies of traction-speed characteristics and energy consumption when driving an NNSTU-Electro electric car in the urban cycle and steady motion are also provided in this article.
Publications with keywords: power, electric motor, electric car, Gazelle, exhaust emissions, traction-speed characteristics of the car, mileage on a single charge Publications with words: power, electric motor, electric car, Gazelle, exhaust emissions, traction-speed characteristics of the car, mileage on a single charge
References
1. Shchetina V.A., Morgovskii Iu.A., Tsentner B.I., Bogomazov V.A. Elektromobil': Tekhnika i ekonomika [Electric vehicle Technology and Economics]. Leningrad, Mashinostroenie, 1987. 253 P.
2. Smith Electric Vehicles. Available at: http://www.smithelectricvehicles.com/index.asp , accessed 23.11.2012.
3. ModecLimited. Available at: http://www.modeczev.com/ , accessed 23.11.2012.
4. Groshev A.M., Blokhin A.N., Kostin S.Iu., Krashenninikov M.S. Kontseptsiia sozdaniia elektromobilei LCV klassa [The concept of creation of electric vehicles LCV class]. Avtotransportnoe predpriiatie [Motor transport enterprise], 2012, no. 1, pp. 42-49.
5. Blokhin A.N., Beliakov V.V., Zeziulin D.V. Raskhod energii transportnogo sredstva s elektroprivodom pri dvizhenii v gorodskikh usloviiakh [Energy expenditure of the vehicle with the electric drive in urban driving conditions]. Vestnik Izhevskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Herald of the Izhevsk State Technical University], 2012, no. 1 (53), pp. 21-25.
