Повышение эксплуатационных свойств гибридных тягово-транспортных средств с суперконденсаторами и аккумуляторными батареями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.03, кандидат технических наук Строганов, Алексей Владимирович

• Строганов, Алексей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Строганов, Алексей Владимирович

Список сокращений

Введение

Глава 1. Анализ состояния работ

1.1 Электромобили и автомобили смешанного типа («гибриды»)

1.2 Интеграция различных энергетических систем

1.3 Принцип действия суперконденсаторов

1.4 Современный уровень развития систем тяги с использованием суперконденсаторов

1.5 Цели и задачи исследования 24 1.6. Выводы по главе

Глава 2. Исследование и разработка статического преобразователя

2.1 Введение

2.2 Дизайн силового блока

2.2.1 Топология повышающее/понижающего преобразователя

2.2.2 Дизайн и отбор элементов статического преобразователя 40 2.3. Меры обеспечения безопасности

2.4 Тепловой расчет

2.5. Механический дизайн

2.6. Выводы по главе

Глава 3. Система наблюдения и контроля

3.1. Введение

3.2. Алгоритмы контроля

3.3. План коммуникаций

3.5 Программное обеспечение для мониторинга в реальном времени

3.6 Определение неполадок

3.7. Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальные исследования

4.1 Введение

4.2 Испытательный полигон 65 4.2 Результаты испытаний 66 4.3. Выводы по главе

Глава 5. Экономическая эффективность 70 5.1 Экономический подход к результатам 70 5.2. Выводы по главе 5 75 Общие выводы 76 Список использованной литературы 77 Приложения

Список сокращений

АБ — аккумуляторная батарея

ВЭС - вспомогательная энергетическая система

ГРБ - глубина разрядки батареи

ДВС - двигатель внутреннего сгорания

ОЭС - основная энергетическая система

СЗ - состояние заряда

TTC - тягово-транспортное средство

ТЭ - топливные элементы

ЭМ - электромобиль

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эксплуатационных свойств гибридных тягово-транспортных средств с суперконденсаторами и аккумуляторными батареями»

В данной работе представлены ключевые причины, которые препятствуют широкому принятию электрических транспортных средств частными и государственными компаниями и рынками. В частности, анализируются ограничения накопительных устройств при передаче энергии большой мощности во время разгона автомобиля и приёме энергии большой мощности, восстанавливающейся после торможения. Для решения возникших проблем предложена комбинация устройства накопления высокой удельной мощности и устройства накопления высокой удельной энергии. Соответственно, разработана вспомогательная энергетическая система (ВЭС), основанная на суперконденсаторах и повышающее/понижающем преобразователе, используемая и оцениваемая в электромобилях. Описаны дизайн и применение системы; представлены также процесс оценки и его итоги. Наконец, представлен и экономический подход в обсуждении достигнутых результатов.

Отсутствие единого накопителя энергии, который в электромобилях одновременно представляет сочетание высокой удельной мощности и высокой удельной энергии, а также высокая стоимость таких устройств, определены как главные препятствия успешному внедрению этих транспортных средств (с нулевой эмиссией в атмосферу) на частные и государственные рынки. Сочетание устройств хранения высокой удельной энергии, таких, как аккумуляторы улучшенной конструкции или водород (через топливные батареи) с накопителями высокой удельной мощности, такими, как суперконденсаторы, представлено как наиболее продуктивное решение, в скором будущем, проблем низкой автономности хода.

Предложенная ВЭС основана на суперконденсаторах и повышающее/понижающем преобразователе, разработана и используется в электромобилях в сочетании со свицово-кислотными аккумуляторами в качестве накопителя энергии. Дизайн и процессы внедрения предложенной системы описаны в деталях.

Результаты оценки продемонстрировали, что с установкой ВЭС на электромобилях получаемая мощность увеличилась с 40 кВт до 85 кВт. Была произведена оценка двух алгоритмов энергетического управления: один базировался на эвристике, второй — на технике оптимального контроля, применяемого в нейронной сети. Эффективность электромобиля (км/кВт ч) увеличилась на 5,2% и 8,9% соответственно для первого и второго алгоритмов. Экономический анализ показал, что исходя только из цены, для предлагаемой системы потребуется увеличение срока службы батареи на 50% для того, чтобы компенсировать стоимость ВЭС.

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве», Строганов, Алексей Владимирович

Общие выводы

1. Получено, что разработанная вспомогательная энергетическая система способна сгенерировать и накопить более 60 кВт мощности, компенсирующая индуктивность в 1,6 мГ является наиболее оптимальной.

2. Установлено, что использование вспомогательной энергетической системы увеличивает эффективность тягово-транспортного средства до 8,9 % с использованием оптимального алгоритма управления энергией.

3. Установлено, что наиболее эффективным алгоритмом управления является алгоритм Neural Network.

4. Получено, что номинальная мощность энергоустановки тягово-транспортного средства возросла с нестабильных 40 кВт до максимальных 85 кВт.

5. Установлено, что увеличение срока службы аккумуляторной батареи на 50 % компенсировало затраты вспомогательной энергетической системы.

6. Получено, что сочетание топливных элементов и вспомогательной энергетической системы, по сравнению с вариантом использования только лишь топливных элементов, на 30 % дешевле (в пересчете на затраты полного рабочего цикла).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Строганов, Алексей Владимирович, 2011 год

1. Ван В.В., Шморгун Ю.В. Исследование областей применения электромобилей на внутригородских перевозках. Автомобильный транспорт. Серия 2: «Грузовые перевозки автомобильным транспортом», ЦБНТИ Минавтотранса РСФСР, 1983, вып. 8, с.1-10.

2. Отчет по научно-исследовательской работе. Эксплуатационные испытания электромобилей УАЗ-451 МИ опытно-промышленной партии и выдача рекомендаций промышленности. Номер гос. регистрации 77033079. М.: НИИГлавмосавтотранса, 1979, 126с.

3. Отчет по научно-исследовательской работе. Номер гос. регистрации 77033079. М.: НИИГлавмосавтотранса, 1980, 147с.

4. Отчет по научно-исследовательской работе. Проведение испытаний электромобилей и электроавтобусов различных модификаций и систем электропривода. Номер гос. Регистрации 01820079220. М.: НИИГлавмосавтотранса, 1981, 156с.

5. Отчет по научно-исследовательской работе. Номер гос. регистрации 01830010661. М.: НИИГлавмосавтотранса, 1983, 187с.

6. Отчет по научно-исследовательской работе. Номер гос. регистрации 01830010661. М.: НИИГлавмосавтотранса, 1984, 95с.

7. Отчет по научно-исследовательской работе. Проведение испытаний электромобилей и электробусов различных модификаций и системэлектропривода. Номер гос. регистрации 01820079220. М.: НИИГлавмосавтотранса, 1985г., 199с.

8. Sandberg Т.Т., Leschly К. User Experimente with on Road Electric Vehiclis in the USA and Canada. «Proceedings 13the Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, San Diego, California», 1978, vol.1, pp644.

9. Corzelnik E.F. Electric vehicle test program appraised. — «Electrical World», 1978, v.189. № 4, pp. 62-63/

10. Electric Vehicles. «Energy Digest», 1977, pp.62-63.

11. Munro A.M. The test operstor's viewpoint. «International Conference on Electric Vehicle Development», London, 1977, pp.64-67.

12. Campbell E.V., Wouk V. Worldwide EHV Fleet Demonstrations — symmary. «Procedings 3oth Annual Conference IEEE Venicular Technology Society International Conference on Transportation electronics», Deaborn, USA, 1980, pp.1-8.

13. Hybrid Electrobús - Versucht nach firnf Jahren vertagsgemaG bundet/ -«Nachverkers - Prax.», 1984,v.32, № 7, pp. 286-287.

14. Sahachi I., Hattori S. Battery powered buses in Japan today. - «5th International Conference on lead - 'Lead' 74, Paris», London, 1976, pp. 9-22.

15. Gorzelnik E.F. Electric Vehiele meet test in Japan. «Electrical world», 1979, v. 191, №7, pp. 102-103.

16. Chase A. Electric Vehiele technology update. «Transportation Research Record», 1982, № 844, pp. 10-12.

17. Основы технической диагностики, /ред. П.П.Пархоменко. М.: Энергия, 1976г.- 464с.

18. Пархоменко П.П., Согомонян Е.С. Основы технической диагностики (оптимизация алгоритмов диагностирования, аппаратурные средства). М.: Энергия, 1981г.-320с.

19. Верзаков Г.Ф., Киншт Н.В.,Рабинович В.И., Тимонен JI.C. Введение в техническую диагностику. М.: Энергия, 1968г. -224с.

20. Рябцев Г.Г. Диагностические системы управления импульсными регуляторами тяговых электродвигателей. Сб.трудов МИИТ, 1981, вып. 690, с.12-16.

21. Мозгалевский A.B., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика (непрерывные объекты). — М.: Высшая школа, 1975г.-208с.

22. Гроп Д. Методы идентификации систем. М.: Мир, 1979г. - 304с.

23. Методы теории чувствительности в автоматическом управлении./под.ред. Е.Н.Розенвассера, Р.М.Юсупова. — JL: Энергия, 1971г. — 344с.

24. Богоцкий И.С., Скундин A.M. Химические источники тока. — М.: Наука, 1973г.- 128с.

25. Графов В.М., Укше Е.А. Электрохимические цепи переменного тока. — М.: Наука, 1973г. -128с.

26. Б ел ей В.Ф. Исследование теплового состояния и внутреннего сопротивления тяговых аккумуляторных батарей электротранспортных средств. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. — Новочеркасск, 1979г.-19с.

27. Эдрок А.Г., Лысенко Ю.В. Коммутационные процессы в системах электроснабжения с химическими источниками тока. в кн.: Оптимизация параметров электропусковой системы и ее элементов. Труды НИИАвтоприпоров, 1983г., вып.55, с. 139-155.

28. Беляев Б.В. работоспособность химических источников тока. — М.: Связь, 1979г.- 112с.

29. Дасоян М.А., Агуф. И.А. Современная теория свинцового аккумулятора. — Д.: Энергия, 1975г. 312с.

30. Пейн Р. Изучение ионного двойного слоя и абсорбционных явлений. -в нк.: Методы измерения и электрохимии./ред. Э.Егера, А.Залкида. Т.1 -М.:Мир, 1977г., с.50-150.

31. Давыдов М.И. определение емкости аккумулятора в различных режимах разряда. Труды Среднеазиатского политехнического института, 1957г., вып.5, с.23-29.

32. Романов В.В., Хашев Ю.М. Химические источники тока. М.: Советское радио, 1968г. - 383с.

33. Резник A.M. Исследование эксплуатационных характеристик стартерных батарей с целью разработки методов их определения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. М.: НИИАТ, 1975г.- 24с.

34. Аносов В.Н. Обобщенная структурная схема химического источника тока как элемента системы регулирования. в кн.: Автоматизация производственных процессов. -Новосибирск, 1976г., №2, с. 166-170.

35. Вайлов A.M., Эйгель Ф.И. Автоматизация контроля и обслуживания аккумуляторных батарей. М.: Связь, 1975г. - 152с.

36. Рашевиц К.К. Анализ работы тяговых аккумуляторов в режимах нагрузки тиристорными преобразователями электроподвижного состава. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Л.: 1970г. - 31с.

37. Рыбалка К.В. Строчкова Е.М. Исследование системы свинец-раствор серной кислоты импедансным методом. Электрохимия, 1979г., т.13, №9, с.1344-1348.

38. Любиев О.Н. Аналитическое описание аккумулятора как элемента электрической цепи. Известия вузов. Электромеханика, 1971г., №11, с.1190-1196.

39. Герасименко Ю.Я., Кукоз Ф.И., Синельников Е.М., Любиев О.Н. Гончаров В.И. Математическое моделирование свинцово-кислотных аккумуляторов. известия вузов. Электромеханика, 1975г., №3, с.250-258.

40. Зрелов В.И. разработка методов совершенствования технической эксплуатации автомобильных аккумуляторных батарей. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. —Харьков, 1985г. 23с.

41. Дехтяренко П.И. Коваленко В.П. Определение характеристик звеньев систем автоматического регулирования. — М.: Энергия, 1973г. 124с.

42. Дейч A.M. Методы идентификации динамических объектов. — М.: Энергия, 1979г.-240с.

43. Тягай В.А. Электрохимические шумы. в кн.: Электрохимия (Итоги науки и техники). Т.11 -М.: ВИНИТ., 1976г., с.109-175.

44. Диткин В.А., Прудников А.П. Справочник по операционному исчислению. М.: Высшая школа, 1965г. — 466с.

45. Агуф И.А. Объемные изменения в активных массах свинцового аккумулятора. — Сборник работ по химическим источникам тока, вып.9. JL: Энергия, 1974г., с.34-38.

46. Чинаев П.И. Шкитин В.А. Один из методов технической диагностики систем класса автоматического управления. в кн.: Техническая диагностика.-М.: Наука, 1972. с. 109-113.

47. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. М.: Наука. 1984г.-320с.

48. Крушевский A.B., Беликов Н.И., Тищенко В.Д., Яковенко В.Е. Вычислительная техника в инженерных и экономических расчетах. Киев: Вища школа, 1985г. - 295с.

49. Косолапов Г.М., Клепик Н.К., Мартинсон П.Н. Моделирование и расчет на ЭЦВМ динамик торможения автотранспортных средств: Методическое пособие/ ВолгПИ.- Волгоград, 1989.-95 с.

50. Косолапов Г.М., Хитин В.А. О выборе передаточного отношения тормозной системы автомобиля. //Автомобили, тракторы и их двигатели: Сб. науч. Ст. -Волгоград, 1972.- С. 161-169.

51. Краткий автомобильный справочник /НИИАТ.- М.: Транспорт, 1985.224 с.

52. Лейбер X., Чинчель А., Анлауф Ю. Противоблокировочная система для легковых автомобилей// СКФ ВЦП Ростов-на-Дону, 1981. 75с.

53. Литвинов A.C. Управляемость и устойчивость автомобиля.- М. Машиностроение, 1971. 416с.

54. Литвинов A.C., Фаробин Я.Е. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств: Учебник для вузов по специальности "Автомобили и автомобильное хозяйство".- М.: Машиностроение, 1989.- 240с.

55. Ломака С.И. Исследование влияния противоблокировочных систем на процесс торможения автомобиля: Дисс. канд. техн. наук.- Харьков, 1965 -287с.

56. Мелик-Саркисьянец A.C., Винокуров Ю.М. Прицепы для легковых автомобилей. М.: Транспорт, 1979.- 79с.

57. Морозов Б.И., Шишацкий А.И., Катанаев Н.Т. Автомобильное колесо как элемент противоблокировочного устройства//Автомобильная промышленность, 1973-ЖЭ- с.21.

58. Непорада A.B. Разработка технического решения и исследование рабочих процессов рекуперативной АБС: Дисс. Канд. техн. наук- Волгоград, 1990.-151с.

59. Никульников Э.Н., Барашков A.A., Шевелкин Ю.П. Особенности конструкции инерционных тормозных систем прицепов// Автомобильная промышленность.- 1996.-№ 1. С. 14-18.

60. Пак В.В. Разработка методов и средств испытания автоматизированных тормозных систем легковых автомобилей. Дис. . канд. техн. наук. Волгоград, 2002.-151 с.

61. Патент № 1177082 (Великобритания). Тормозная система автопоезда, Опубл. 14.10.66.

62. Патент № 3747987 (США). Гидравлический привод тормозов прицепа. Опубл. 24.07.73.

63. Строганов, А. В. Использование суперконденсаторов в тягово-транспортных средствах Текст. / С. Н. Шаповал, А. О. Шаповал, А. В. Строганов // Сельский механизатор. 2008. — № 10. — С. 41.

64. Строганов, А. В. Срок службы аккумуляторных батарей электромобилей Текст. / О. Н. Дидманидзе, А. В. Фетисов, А. В. Строганов // Международный научный журнал. 2011. — № 2. — С. 120-122.

65. Строганов, А. В. Диагностирование и определение остаточной емкости аккумуляторной батареи электромобиля Текст. / Д. Г. Асадов, А. В. Фетисов, А. В. Строганов // Международный технико-экономический журнал. 2011. -№ 1.- С. 122-127.

66. Петров В.А. Антиблокировочные системы и алгоритмы их функционирования// Автомобильная промышленность, 1979.- №7.- с.20-24.

67. Пчелин И.К., Илларинов В.А. Тормозная динамичность автомобиля с антиблокировочными устройствами//Автомобильная промышленность 1976.№2.-с.13-16.

68. Григорьев, И. Г. Использование современного электропривода в автомобилях Электронный ресурс./ О.В. Закарчевский, И.Г. Григорьев, А.П. Отарский// Электронный журнал МГАУ. 2009. - №11. 300 Кбайт.

69. Григорьев, И. Г. Повышение надежности комбинированных энергоустановок автомобилей Текст./ Е.А. Пучин, И.Г Григорьев // Технико-экономический журнал. 2009. - №3. - С. 29-34. [0,75 п.л./0,375 пл.].

70. Ревин A.A. Автомобильные автоматизированные тормозные системы: Техническое решение, теория, свойства. Волгоград: Изд-во Института качеств, 1995.-157с.

71. Ревин A.A. Теория эксплуатационных свойств автомобилей и автопоездов с АБС в режиме торможения: Монография, РПК Политехник. -Волгоград, 2002. 372 с.

72. Ревнн A.A. Повышение эффективности, устойчивости и управляемости при торможении автотранспортных средств: Дис.д-ра техн. наук,- Волгоград 1984.-524с.

73. Ревин А.А, Комаров ЮЛ, Непорада A.B. Модульная АБС для легкового автомобиля// Автомобильная промышленность.- 1988.-№2-с. 14-15.

74. Ревин А.А, Железнов Е.И., Ревин С.А. Особенности оценки адекватности модели автопоезда с а автоматизированным тормозным приводом/ Эксплуатация современного транспорта: Межвузовский научный сборник Саратов, 1997.- С.71-75.Л

75. РТМ 37.031.021-80. Методика испытаний автотранспортных средств оборудованных антиблокировочными системами торможения.- М.: НАМР 1980.

76. Сильянов, B.B. Теория транспортных потоков в проектировании дорог и организации движения / В.В Сильянов. М.: Транспорт, 1977. - 303 с.

77. Сильянов, В.В. Транспортно-эксплуатационные качества автомобильных дорог / В.В. Сильянов М.: Транспорт, 1984. - 287 с.

78. Талызин С.И. Расчет автоматической тормозной системы автоприцепа Автотракторное дело. 1940, № 10.

79. Тормозные устройства: Справочник /Под ред. Александрова М.П. М. Машиностроение, 1985.-312с.

80. Харб Мажед. Разработка диагностических признаков тормозной системы легкового автомобиля с АБС. Автореферат канд. техн. наук. Волгоград.- 2000- 19с.

81. Фаробин Я.Е., Овчаров В.А., Кравцева В.А. Теория движения специализированного подвижного состава: Учебное пособие.-Воронеж: Изд-во ВГУ, 1981.- 160с.

82. Фаробин Я.Е., Шупляков B.C. Оценка эксплуатационных свойств автопоездоз для международных перевозок.- М.: Танспорт, 1983.- 200с.

83. Шуклинов С.Н. Разработка и исследование гидравлического тормозного привода автопоезда, состоящего из легкового автомобиля и одноосного прицепа: Дис., канд. техн. наук. Харьков, 1989.- 238с.

84. Эллис Д.Р. Управляемость автомобиля.- М: Машиностроение, 1975.216с.

85. Mitshke M. Dynamik der Kraftfahrzeuge. Band A. Antrieb und Bremsung.

86. Jahn M. Распределение тормозных сил на легковом автомобиле с одноосным прицепом // Kraftfahrzeuge .-1973.- №6 С. 178-180.

87. Leiber H., Czinczel A., Anlauf J. Antiskid system for passenger cars // Bosch techniche berichte English special edition - 1982. - №2. - P.65-93.

88. Drechsel E. Abstimmung des Funktionsverhaltens von system. VDI Вег, 1980, №369, s.9-16.

89. Калюжный М.Г. Разработка и исследование локальной системы управления моментом асинхронного привода мотор-колеса электромобиля. Автореф. канд. дисс. -Новосибирск, НЭТИ, 1980, с.21.

90. Кашников ВВ. Электропривод электромобилей с алгоритмами управления на скользящих режимах. Дисс.канд.техн.наук. -М.: МАДИ, 1985, с. 190.

91. Кашканов В.В. Шаврин П.А. Управление движением транспортного средства с эластичными шинами, снабженного индивидуальным приводом ведущих колес. -В кн.: Автоматическое управление объектами с переменными характеристиками.-Новосибирск, НЭТИ, 1991, с.70-71.

92. Литвинов A.C. Управляемость и устойчивость автомобиля. -М.: Машиностроение, 1971, с.416.

93. Макаров В.К. Скользящие режимы в динамике транспортных средств с учетом характеристик сухого трения. — В кн.: Методы Синтеза систем с разрывными управлениями на скользящих режимах. —М.: ИПУ, 1983, с. 70-75.

94. Уткин В.И. Принципы идентификации на скользящих режимах. ДАН СССР, 1981, т.25,с 558-561.

95. Организация и развитие фирменного технического сервиса машин и оборудования для АПК / Голубев И.Г., Быков В.В. Митракова В.Д., Ермолин H.B. М.: Росинформагротех, 2000. - 68с.

96. Повышение качества ремонта машин и оборудования в рыночных условиях / Голубев И.Г., Спицин И.А., Кузьмин В.Н. М.: Информагротех, 1999. - 77 с.

97. Талызин С.И. Расчет автоматической тормозной системы автоприцепа Автотракторное дело. 1940, № 10.

98. Тормозные устройства: Справочник /Под ред. Александрова М.П. -М. Машиностроение, 1985.-312с.

99. Харб Мажед. Разработка диагностических признаков тормозной системы легкового автомобиля с АБС. Автореферат канд. техн. наук. Волгоград.- 2000- 19с.

100. Павлова Е.И. Экология транспорта / Е.И. Павлова, Ю.В. Буравлев. -М.: Транспорт, 1998.-231 с.

101. Патент 57-32252 (Япония). Гидросистема управления автоматической коробкой скоростей / Таета дзидося коге к.к.; Авт. изобрет. Гэга Ютака, Заявл. 23.12.74. № 49-147901; Опубл. 9.07.82, МКИ В60К20/14.

102. Петров В. А. Автоматическое управление бесступенчатых передач с/х. машин / В. А. Петров. М.: Машиностроение, 1968. - 143с.

103. Петров В. А. Гидрообъемные трансмиссии самоходных машин /В.А.Петров.- М: Машиностроение, 1988. 248с.

104. Повышение эффективности использования автомобильной техники за счет аккумулирования энергии торможения и колебания остова. Отчет о научно-исследовательской работе. Воронеж: ВВАИИ, 2002. - 84с.

105. Яблоков А. Мы задыхаемся вовсе не из-за прогресса /А. Яблоков //За рулем.- 1998.- №3.- С.4-5.

106. Якубовский КХ Автомобильный транспорт и защита окружающей среды: Перевод с польского. М.: Транспорт, 1979.- 198с.

107. Korkmaz F., Vorraussetzungen für einen erfolgversprechenden Eirzatz von Fahrzeugantrieben mit Bremsenergie-Ruckgewinnung. ATZ 82 (1980), 4.

108. Frank A.A., Beachly N.H., Design Consideration for Flyheel -Transmission Automobiles. SAE Technical Paper, № 800886, 1980.

109. Jahn M. Zum Stand der Bremsenergie-Ruckgewinnung, KFT, №10, 1982.

110. Schilke N.A., Dehart A.O., Hewko L.O. The design of an engine ftywheel hybrid drive system for a passenger car. Integrated Engine Transmission Sistems. №102, 1986.

111. SaridarisN. Golf mit Otto-Elektro-Hybrid-antrieb. ATZ 87(1985) №11.