CC BY
42
УДК 629.3
ВИБ1Р ПОТУЖНОСТ1 ТЯГОВИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ ДВИГУН1В ДЛЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБ1В
О.П. Смирнов, доц., к.т.н., А.О. Борисенко, асист., к.т.н., Харкчвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ун1верситет
Анотаця. Розроблено рекомендацп щодо вибору потужност1 тягового електричного двигуна залежно eid маси електричного транспортного засобу, швидкост1 його руху та дальност1 проб1гу в режимi «ттьки електрика». Результати до^дження подано у виглядi тривимiрних залежностей.
Ключов1 слова: електромобть, гiбридний електромобть, гiбридний транспортний зааб, елек-тричний двигун, потужмсть, дальтсть пробiгу.
ВЫБОР МОЩНОСТИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
О.П. Смирнов, доц., к.т.н., А.О. Борисенко, ассист., к.т.н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Разработаны рекомендации по выбору мощности тягового электродвигателя в зависимости от массы электрического транспортного средства, скорости его движения и дальности пробега в режиме «только электричество». Результаты исследования представлены в виде трехмерных зависимостей.
Ключевые слова: электромобиль, гибридный электромобиль, гибридное транспортное средство, электрической двигатель, мощность, дальность пробега.
CHOOSING THE POWER OF TRACTION ELECTRIC MOTORS FOR ELECTRIC VEHICLES
O. Smirnov, Assoc. Prof., Ph. D. (Eng.), A. Borisenko, T. Asst., Ph. D. (Eng.), Khartov National Automobile and Highway University
Abstract. Recommendations on choosing the power of the electric motor, depending on the weight of the vehicle, its speed and the run distance in the «only electricity» mode are developed. Based on mathematical modeling and a number of field tests of electric vehicles, a three-dimensional dependance of the power on the weight and the speed set is built and conclusions are presented.
Key words: run distance, «only electricity» mode, traction batteries, electric vehicle, different power, electric motor, mathematical modeling, traction electric motor, hybrid electric vehicle, hybrid vehicle, established speed.
Вступ
Основними напрямами розвитку дорожшх транспортних 3aco6iB е тдвищення паливно! eKOHOMi4HOCTi та еколопчно! чистоти. На су-часному етат розвитку автомобшебудування перспективними е електричш транспортш
засоби. До електричних транспортних засо-бiв будемо вщносити: електромобш, пбрид-ш електромобш та пбридш транспортш засоби, як використовують для приводу електричш двигуни, що отримують живлення вщ блоку тягових акумуляторних батарей.
Аналп публшацш
В електричних транспортних засобах засто-совуються електричнi двигуни pi3Hoi' потуж-ностi. Навiть у Toyota Prius застосовуються тяговi елекгричш двигуни, потужнiсть яких вiдрiзняeться у 2 рази: ввд 30 кВт - у Toyota Prius-1 до 60 кВт - у Toyota Prius PHV. У пб-ридному елекгромобш Chevrolet Volt поту-жшсть електричного двигуна становить 111 кВт [1, 2].
Потужшсть електричних двигушв електро-мобiлiв теж вiдрiзняeться в широких межах: Mitsubishi i-MIEV - 49 кВт, Nissan Leaf -80 кВт, Tesla Model S - 225 кВт, 280 кВт та 310 кВт (залежно ввд модифжаци) [3-5].
Тому вибiр типу та обгрунтування мшмаль-но необхвдно! потужностi тягового електричного двигуна для електромобшв та пбрид-них транспортних засобiв е актуальною проблемою.
Мета i постановка завдання
Метою дослвдження е визначення рекомен-дацiй щодо вибору потужностi електричного двигуна, який застосовуеться для приводу електричного транспортного засобу, залежно ввд маси, швидкосп та дальностi пробку в режимi «тшьки електрика».
Об'ектом дослвдження обрано процес визначення рекомендацш щодо вибору потужностi тягового електричного двигуна для електричних транспортних засобiв.
Обгрунтування типу електричного двигуна
Вибiр тягового електричного двигуна для його використання в електричних транспортних засобах залежить ввд схем побудови гiбридних силових установок, режимiв робо-ти та вимог, що висуваються до електропри-вода. Незважаючи на те, що кожен тяговий електропривiд мае власш вимоги до системи управлiння i мае оптимальш характеристики лише в певному дiапазонi частот обертання, до нього висуваються так1 основнi вимоги: високий ККД, надiйнiсть, невелика маса, можливiсть регулювання та високий момент у всьому дiапазонi частот обертання, придат-нiсть для рекуперативного гальмування. При порiвняннi рiзних варiантiв електроприводiв
для електромобшв та гiбридних транспортних засобiв вирiшальними факторами е ККД електричного двигуна та маса електроприво-да. Це пов'язано з обмеженим запасом елект-рично! енерги у тягових акумуляторних батареях. Проведено порiвняльне дослiдження елекгроприводiв з рiзними типами електричних двигушв (постшного струму, асинхронного, вентильного). Результати досл> дження дозволили дшти висновку, що най-бiльш ефективним для приводу електричних транспортних засобiв е вентильний двигун зi збудженням вiд постiйних магнiтiв, який в 2-3 рази легше, нiж iншi типи двигунiв, мае максимальний ККД i кращi регулювальнi характеристики [6, 7].
На кафедрi автомобшьно! електрошки на базi синхронних генераторiв побудовано декшька модифiкацiй тягових елекгроприводiв з вен-тильним керуванням для пбридних силових установок автомобiлiв ЗАЗ Таврiя Пiкап та ЗАЗ Ланос Шкап [8, 9].
Рекомендацп щодо потужносл електричного двигуна
На основi багаторазового математичного мо-делювання та натурних випробувань електричних транспортних засобiв побудовано тривимiрну залежнiсть потужностi ввд маси та усталено! швидкостi (рис. 1).
Рис. 1. Залежшсть потужносл вiд маси та усталено! швидкосп
Результати дослiдження демонструють, що збшьшення маси транспортного засобу прямо пропорцшно приводить до збiльшення потужносл вентильного двигуна для пвд-тримки однаково! усталено! швидкостi руху. А збшьшення усталено! швидкосп веде до збшьшення потужносл вентильного двигуна за експонентною залежшстю за однаково! маси транспортного засобу. Пвд час руху пб-ридного транспортного засобу в режимi
«тшьки електрика» визначальними параметрами його економ1чност1 е маса та швидюсть. При цьому на швидкостях бшьше 22,2 м/с (80 км/год) необхщна потужшсть вентильного двигуна значно збшьшуеться, 1 таю режи-ми роботи не е економ1чно вигщними. Згщно з результатами проведеного досл1дження можна зробити висновок, що найбшьш еко-ном1чний режим роботи електричного транспортного засобу в режим! «тшьки електрика» знаходиться у межах 0-16,7 м/с (0-60 км/год). Для розрахунку економ1чного д1апазону швидкюного режиму транспортного засобу в режим! «тшьки електрика» про-ведемо розрахунок поточно!" витрати енерги вщ тягових акумуляторних батарей ЕТАБ за-лежно вщ потужност вентильного двигуна, що витрачаеться для пщтримки усталено!" швидкост транспортного засобу, з урахуван-ням ККД тягового електропривода, кВттод/100 км
E.
ТАБ
P ■ S 3,6 ■¥
■Л,
(1)
де Р - поточна потужшсть вентильного двигуна, кВт; £ = 100 км - проби транспортного засобу в режим! «тшьки електрика», км; ц -ККД електропривода, цпн=0,9; V - швидюсть транспортного засобу, м/с.
Результати дослщження демонструють, що у режим! «тшьки електрика» залежшсть витрати енерги тяговими акумуляторними батареями вщ маси транспортного засобу та усталено! швидкост руху мае мш1мум (рис. 2).
Рис. 2. Залежшсть витрати енерги блоку тягових акумуляторних батарей вщ маси та швидкост транспортного засобу
Мшмальна витрата енерги вщ тягових аку-муляторних батарей становить за усталено! швидкост транспортного засобу в режим! «тшьки електрика» дещо менше 8,3 м/с (30 км/год). Це значення швидкост пщтвер-
джуеться натурними випробуваннями модер-шзованого у гiбридний Bapiaffr ЗАЗ Ланос niKan та Toyota Prius [10]. Максимальна витрата енерги вщ тягових акумуляторних батарей визначена за максимально розрахова-но"" усталено!" швидкостi 38,9 м/с (140 км/год), яка перевищуе мшмальний по-казник витрати енеpгií вщ тягових акумуляторних батарей за усталено!" швидкостi 8,3 м/с (30 км/год) майже у 4,5 раза для будь-яко"" маси транспортного засобу. Витрата енерги вщ тягових акумуляторних батарей за мшмально розраховано"" швидкостi 2,78 м/с (10 км/год) у 1,7 раза перевищуе мшмальну витрату енеpгií для будь-яко"" маси транспортного засобу.
З урахуванням pезультaтiв проведеного дослщження можна визначити вщносну даль-нiсть пpобiгу S транспортного засобу в ре-жимi «тшьки електрика» (рис. 3), %
S = _ЕтабШ1П 100%
E
(2)
ТАБ
де £ТАБшш - мiнiмaльнa витрата енерги тягових акумуляторних батарей для транспортних зaсобiв однаково"" маси окремо, кВттод/100 км; Етаб — поточна витрата енерги тягових акумуляторних батарей, кВттод./100 км (рис. 3).
Рис. 3. Залежшсть вщносно!" дальност пробь гу транспортного засобу вщ маси та швидкосп
Результати досл1дження демонструють, що найбшьш економ1чний режим знаходиться в межах 5,56-11,1 м/с (20-40 км/год) усталено!" швидкост руху для транспортних засоб1в р1зно!" маси. Щоб подолати в режим! «тшьки електрика» максимальну дальшсть пробиу, необхщно рухатись з усталеною швидюстю близько 8,3 м/с (30 км/год). Збь льшення маси електричного транспортного засобу з 800 кг до 2000 кг знижуе дальшсть пробиу майже у 2,5 рази. Таким чином, на
дальнють npo6iry значною мiрою впли-вае усталена швидкiсть. Пiдвищення усталено! швидкосп транспортного засобу в режим1 «ильки електрика» з 8,3 м/с (30 км/год) до 22,2 м/с (80 км/год) удв1ч1 знижуе дальнють пробпу, а пiдвищення усталено! швидкосп транспортного засобу з 8,3 м/с (30 км/год) до 30,6 м/с (110 км/год) втрич1 знижуе дальнють пробку. Зниження усталено! швидкосп транспортного засобу в режим! «ильки електрика» з 8,3 м/с (30 км/год) до 2,78 м/с (10 км/год) знижуе дальнють пробку в 1,7 раза.
Висновки
Розроблено рекомендацп щодо вибору потуж-носн тягового електричного двигуна залежно вш маси, швидкосп й дальносн пробпу електричного транспортного засобу в режим! «ильки електрика». Ц! рекомендацп подано у вигляд1 тривим1рних залежностей. Найб!льш економна стала швидкють становить 6,948,33 м/с (25-30 км/год). Збшьшення швидкосп з 8,33 м/с (30 км/год) до 38,89 м/с (100 км/год) зумовлюе збшьшення витрати електрично! енергп у 2,4 рази для будь-яко! маси транспортного засобу.
Лггература
1. Prius-Plug-In-Hybrid / Електронш даш - Ре-
жим доступу: http://www.toyota.com/prius-plug-in-hybrid/, вшьний. - Назва з екрану.
2. Volt Models & Specs / Електронш даш. - Ре-
жим доступу: http://www.chevrolet.com/ volt-electric-car/specs/trims.html, вшьний. -Назва з екрану.
3. My I-MIEV Specification / Електронш даш -
Режим доступу: http://www.mitsubishi-motors.com.au/vehicles/i-miev/ specifications/, вшьний. - Назва з екрану.
4. Nissan LEAF / Електронш даш - Режим дос-
тупу: http://www.nissanusa.com/electric-cars/ leaf/versions-specs/, вшьний. - Назва з екрану.
5. Tesla Model S / Електронш даш - Режим
доступу: https ://www.tesla.com/models/, вь льний. - Назва з екрану.
6. Закладной А.Н. Энергоэффективный элект-
ропривод с вентильными двигателями /
A.Н. Закладной, О.А. Закладной. - К.: Либра, 2012. - 185 с.
7. Бажинов А.В. Электропривод для конверси-
онного автомобиля / А.В. Бажинов,
B.Я. Двадненко, Хаким Мауш // Автомо-
бильный транспорт: сб. науч. тр. - 2012. -Вып. 30. - С. 7-12.
8. Смирнов О.П. Гибридная силовая установка
для транспортных средств / О.П. Смирнов, А.Б. Богаевский, А.О. Смирнова // Вюник Харювського нащонального техшчного ушверситету сшьського господарства ¡меш Петра Василенка. - 2013. - № 139. -С. 207-211.
9. Бажинов О.В. Синергетичний автомобшь.
Теор!я i практика / О.В. Бажинов, О.П. Смирнов, С.А. Серков та ш. - Х.: ХНАДУ, 2011. - 236 с.
References
1. Prius-Plug-In-Hybrid / Elektronni dani. _ Rejim
dostupu: http://www.toyota.com/prius-plug-in-hybrid/, vilnii. _ Nazva z ekranu.
2. Volt Models & Specs / Elektronni dani. _ Rejim
dostupu: http://www. chevrolet. com/volt-electric-car/specs/trims.html, vilnii. _ Nazva z ekranu.
3. My I-MIEV Specification / Elektronni dani. _
Rejim dostupu: http://www.mitsubishi-motors.com.au/vehicles/i-miev/ specifications/, vilnii. _ Nazva z ekranu.
4. Nissan LEAF / Elektronni dani. _ Rejim
dostupu: http://www.nissanusa.com/electric-cars/leaf/versions-specs/, vilnii. _ Nazva z ekranu.
5. Tesla Model S / Elektronni dani. _ Rejim
dostupu: https ://www.tesla.com/models/, vilnii. _ Nazva z ekranu.
6. Zakladnoi A.N., Zakladnoi O.A. Energoeffek-
tivnii elektroprivod s ventilnimi dvigate-lyami [Energy efficient electric drive nith brushless motors]. Kyiv, Libra, Publ., 2012. 185 р.
7. Bajinov A.V., Dvadnenko V.Ya., Hakim
Maush. Elektroprivod dlya konversionnogo avtomobilya. Avtomobilnii transport [Electric drive conversion car]. 2012. no. 30. рр. 7-12.
8. Smirnov O.P., Bogaevskii A.B., Smirnova A.O.
Gibridnaya silovaya ustanovka dlya trans-portnih sredstv. Visnik Harkivskogo nacio-nalnogo tehnichnogo universitetu silskogo gospodarstva imeni Petra Vasilenka [Hibrid power plant for vehiches]. 2013. no. 139. рр. 207-211.
9. Bajinov O.V., Smirnov O.P., Serikov S.A.,
Dvadnenko V.Ya. Sinergetichnii avto mobil. Teoriya i praktika. [Synergetic car. Teory and practice]. Kharkov, KhNAHU Publ., 2011. 236 р.
Рецензент: B.I. Клименко, професор, к.т.н., ХНАДУ.
