Разработка и реализация алгоритмов управления тяговым электроприводом, обеспечивающих экономичность автономных электрических транспортных средств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Омара Ахмед Мохамед Эльрефаие

• Омара Ахмед Мохамед Эльрефаие
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Омара Ахмед Мохамед Эльрефаие

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА АВТОНОМНОГО ТРАНСПОРТА

1.1 Источники электроэнергии на борту АТС

1.2 Сравнение функциональных схем энергосиловых установок АТС

1.3 Типы тяговых электродвигателей

1.4 Выводы по главе

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ ПРИВОДОМ, ПОСТРОЕННЫМ НА БАЗЕ ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

2.1 Динамическая модель МЭД

2.2 Алгоритм прямого управления моментом МЭД

2.2.1 Базовая схема ПУМ

2.2.2 Предложенная схема ПУМ

2.3 Результаты моделирования

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДВУНАПРАВЛЕННОГО РЕВЕРСИВНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

3.1 Электрическая схема и работа преобразователя

3.2 Управление преобразователем

3.3 Результаты моделирования

3.4 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПАРАЛЛЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫХ ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

4.1 Математическая модель метода ШИМ с удалением выделенных гармоник

(ШИМ с УВГ)

4.1.1 ШИМ с УВГ для трехфазного двухуровневого инвертора напряжения (один модуль)

4.1.2 ШИМ с УВГ для двух модулей трехфазного двухуровневого инвертора напряжения

4.2 Процедура генетического алгоритма (ГА) оптимизации

4.2.1 Описание алгоритма

4.2.2 Использование ГА для поиска оптимальных углов переключения

4.3 Результаты моделирования

4.4 Экспериментальная система

4.5 Выводы по главе

ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ В СТАНДАРТНОМ ЦИКЛЕ И ПОИСК ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЭКОНОМИИ ЭНЕРГИИ НАКОПИТЕЛЯ ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЕЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ПО ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМ

5.1 Новые стандарты циклов движения, используемые для оценки расхода энергии

5.1.1 Обзор европейского ездового цикла NEDC

5.1.2 Обзор ездового цикла WLTP

5.1.3 Сравнение цикла NEDC с циклом WLTP

5.2 Параметры электромобиля, режимы движения которого моделируются

5.3 Требования к мощности и параметрам электромобиля

5.3.1 Требования к параметрам электропитания

5.3.2 Выбор тягового электродвигателя

5.3.3 Выбор соответствующих параметров батареи

5.4 Стратегия управления питанием и контроля потребления энергии

5.5 Результаты моделирования

5.6 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК РИСУНКОВ

СПИСОК ТАБЛИЦ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и реализация алгоритмов управления тяговым электроприводом, обеспечивающих экономичность автономных электрических транспортных средств»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В последние десятилетия количество автомобилей непрерывно и интенсивно растет. Это создает существенные экологические проблемы, обусловленные тем, что автомобили накапливаются в густонаселенных пунктах обитания людей. В мегаполисах вдоль проезжей части примерно через каждые 8-15 метров двигатели внутреннего сгорания ДВС автомобилей сжигают органическое топливо и при этом распределенно выбрасывают в окружающую среду вредные токсичные вещества [1]-[3]. Окружающую среду, конечно, стараются защитить от вредного воздействия путем снижения токсичности топлива, уменьшения его расхода, очистки выхлопа ДВС фильтрами и катализаторами. Но эти меры практически исчерпаны, а экологические проблемы остаются. Кардинально решить задачу защиты окружающей среды позволит полный отказ от сжигания органического топлива на автомобилях и переход к автономным электрическим транспортным средствам АЭТС, в частности, к электромобилям [4]-[14]. Однако такое решение сдерживается пока отсутствием накопителей электроэнергии, которые устраивали бы энергоемкости, объему, массе и стоимости [15]-[21]. В этих условиях нашел применение переходной вариант - использование АЭТС с комбинированной энергосиловой установкой (так называемые, гибридные автомобили), на которых установлены и ДВС, но пониженной мощности, и тяговый электрический привод ТЭП, питаемый от бортовой батареи, накопителей электроэнергии или электрического генератора.

Кроме АЭТС с батарейным питанием, изучают возможности использования электромобилей с установками получения электроэнергии непосредственно на борту. Например, с солнечными панелями, с топливными элементами и т.п. Но на сегодня они менее перспективны, чем АЭТС с батарейным питанием. Батарея может быть заряжена как на специальной станции зарядки (с заменой либо без замены батареи), так и на борту АЭТС

при движении и на стоянке.

Тем не менее, обычные автомобили с двигателями, работающими на органическом топливе, остаются востребованными. В 2018 году в мировой автомобильной промышленности наблюдается существенное ужесточение конкуренции между электромобилями и автомобилями с ДВС с разными видами топлива [22]. Практически каждый автопроизводитель предлагает новые модели, в которые внедряет технологии, повышающие энергоэффективность и снижающие вредное воздействие на окружающую среду. Несмотря на все разговоры о переломном моменте, о наступлении электрического транспорта, электромобили по-прежнему в общем числе транспортных средств составляют только 0,5 процента. Таким образом, в реалиях современности автомобильные инновации препятствуют широкому внедрению электромобилей.

Для примера в таблице 0.1 приведены показатели некоторых новых марок автомобилей. Как и все модели McLarens со времен знаменитого F1 начала 90-х годов, модель 720S имеет монолитный и моноблочный корпус из углеродного волокна. Это позволило обеспечить массу всего 1283 кг (2829 фунтов), т.е. меньше, чем у Toyota Prius. Внутри установлен силовой агрегат Твин-турбо V-8 мощностью 530 кВт (710 л.с.) и крутящим моментом 770 Н.м. Коробка передач с двойным сцеплением и семью скоростями обеспечивает 45-процентную быструю смену передач. Другие новшества обеспечивают разгон до 100 км/час (62 мили в час) за 2,9 секунды, до 200 км/час за 7,8 секунды и до 300 км/час за 21,4 секунды или на четыре секунды быстрее, чем в модели 60-х годов. Максимальная скорость составляет 341 км/час (212 миль в час). Однако этот автомобиль настолько дорог (его цена $288 000), что такие высокие эксплуатационные показатели вряд ли окупят капитальные вложения потребителя.

DODGE Challenger SRT Demon - это самый быстрый серийный автомобиль в истории, как сертифицировано Национальной Ассоциацией Hot Rod (NHRA). Он проходит четверть мили (0,4 километра) всего за 9,65

секунды, достигает скорость 30 миль в час за 1 секунду, а 60 миль в час (97 км/час) - за 2,3 секунды, т.е. быстрее, чем любой другой автомобиль в списке текущего года. Цена этого автомобиля составляет $ 83 295.

Cadillac CT6 -"чемпион" по самоуправлению. Он "умнее" и безопаснее, чем любой автомобиль от Audi, Mercedes или Volvo. Автомобиль Honda Civic Type R имеет передний привод мощностью 228 кВт (306 л.с.), разгоняется до 97 км/час за 4,9 секунд. Подвеска передней стойки автомобиля Honda с двумя осями обеспечивает ему схожесть с заднеприводным или полноприводным автомобилем.

Таблица 0.1. Технические характеристики новых автомобилей в 2018

году.

марка автомобиля максимальная мощность (л.с.) максимальный момент (Н.м.) емкость топливного бака (литры) дальность пробега (км)

в городском цикле по трассе

McLaren 720s 710 770 72 437 973

DODGE SRT Demon 840 1047 70 290 507

Cadillac CT6 336 386 74 570 987

Honda Civic Type R 306 401 47 443 566

KIA Niro 139 264 45 1184 1154

В гибридном автомобиле №ш используют тяговый электродвигатель мощностью 32 кВт (43 л.с.) и 1,6-литровый четырехцилиндровый

бензиновый двигатель, двойное сцепление и шестиступенчатую коробку передач. Благодаря сочетанию ДВС и тягового электропривода автомобиль обеспечивает пиковую мощность 104 кВт (139 л.с.) и пиковый крутящий момент 264 Нм. В гибридном автомобиле Kia установлена дополнительная литий-ионная батарея напряжением 12 В и емкостью 30 ампер-часов. Она размещена под задним сиденьем совместно с основной тяговой батареей напряжением 240 В.

Электромобиль Concept One содержит 4 тяговых электродвигателя (ТЭД) с масляным охлаждением. Общая мощность тягового электропривода составляет 913 кВт (1224 л. с.), а крутящий момент всех 4-х двигателей -1600 Нм. Индивидуальный ТЭД каждого ведущего колеса снабжен своим электронным силовым преобразователем (СП) и механическим редуктором с двумя коэффициентами передачи. Система управления может быстро увеличить или уменьшить и даже реверсировать крутящий момент любого ТЭД индивидуально. Разгон до скорости 97 км/час происходит за 2,5 секунды, а максимальная скорость составляет 354 км/час. Фирма Rimac утверждает, что батарея из 8450 литиевых никель-марганцевых аккумуляторов с жидкостным охлаждением обеспечивает 1 МВт мощности в режиме тяги, развивает 400 кВт при рекуперативном торможении и обладает запасенной энергией 82 кВт.часа. Общая масса батареи составляет 1900 кг (4189 фунтов), а пробег на одной зарядке составляет 350 км (217 миль). Однако этот энергетически оснащенный электромобиль очень дорог - его цена составляет $1,2 миллиона.

Vanderhall Edison - это легкий быстрый трехколесный электромобиль. Он имеет два ведущих колеса спереди и одно заднее колесо, прикрепленное к поворотному рычагу, как у мотоцикла. Пара ТЭД имеет общую мощность 134 кВт (180 л.с.). Они питаются от батареи литиевых аккумуляторов с запасенной энергией 30 кВт.час. Это примерно половина энергии батареи электромобилей Chevy Bolt или Tesla, но снаряженная масса этого электромобиля с такой батареей составляет всего 645 кг (1400 фунтов).

Фирма Vanderhall заявляет следующие показатели данной модели: разгон от нуля до 97 км/час за 4 секунды; дальность пробега на одной зарядке 320 км; максимальная скорость движения 170 км/час. Цена этого электромобиля составляет $34 950.

Компания Silicon Valley утверждает, что в 2019 г выпустит на рынок модель электромобиля Lucid Air. Эта полноприводная модель содержит два ТЭД общей мощностью 1000 л.с. Разгон до 97 км/час составляет всего 2,5 секунды; максимальная скорость - 378 км/час; максимальная дальность пробега на одной зарядке - 644 км (400 миль), что совпадает с показателями многих обычных автомобилей и даже превысит возможности любого известного сегодня электромобиля, включая и модели фирмы Tesla.

Электромобиль модели Tesla Model 3 Long Range с задним приводом имеет максимальную мощность 192 кВт (257 л.с.), максимальный крутящий момент 330 Н.м, и может разгоняться от 0 до 62 миль в час за 5,4 секунды. Максимальная скорость оставляет 140 миль в час. Аккумулятор Tesla Model 3 Long Range имеет общую емкость энергии 880 кВт.час. Приблизительный радиус действия - около 300 миль на полностью заряженной батарее. Фактический диапазон, однако, зависит от нескольких факторов, включая климат, рельеф, использование систем климат-контроля и стиль вождения. Расчетное потребление энергии в комбинированном (автомагистраль и город) режиме движения Tesla Model 3 Long Range составляет около 250 Вт.час на милю. Для сравнения, это потребление энергии эквивалентно расходу топлива (162 мили/галлон) в традиционном автомобиле с ДВС.

Leaf первого поколения был самым продаваемым электромобилем в мире (более 300 000 покупателей). Но теперь другие модели электромобиля завоевали популярность, а именно Chevy Bolt и Tesla Model 3. Модель Nissan тоже получила значительно увеличившийся спрос на рынке в 2018 году, несмотря на то, что ее 240-километровый пробег на одной зарядке не дотягивает до 383 км или 362 км моделей электромобиля фирмы Тесла. Новый Leaf имеет электропривод увеличенной до 110 кВт (147 л.с.)

мощности (в прежней модели мощность составляла 80 кВт) и крутящий момент 320 Н.м. Примерно вдвое увеличена и емкость батареи аккумуляторов.

Таблица 0.2. Технические характеристики новых электромобилей в 2018 _____году. __

Марка электромобиля максимальная мощность (л.с.) максимальный момент (Н.м.) емкость аккумуляторов (кВтч) дальность пробега (км)

в городском цикле по трассе

RIMAC Concept 1 1224 1600 90 350 245

Vanderhall Edison 180 240 30 320 222

Lucid Air 400 602 75 370 256

Tesla Model 3 257 412 75 500 346

Nissan Leaf 258 320 40 243 169

Сравнивая данные таблиц 0.1 и 0.2, можно сделать общий вывод, что электромобили пока не достигают по дальности пробега возможностей автомобилей с ДВС Этот факт является подтверждением необходимости искать пути экономичного расходования электроэнергии в условиях недостаточного ее запаса. Также из анализа данных следует, что пробег электромобиля в городе больше, чем на трассе. Аэродинамическое сопротивление пропорционально квадрату скорости движения, поэтому электромобиль потребляет больше энергии при движении по шоссе с большей скоростью, чем в городском цикле, которая затрачивается на преодоление сопротивления движению. ДВС автомобилей в городском цикле движения работают в гораздо менее эффективном режиме (низкая мощность или холостой ход, в отличие от работы с более высокой нагрузкой на шоссе),

кроме того, большая часть энергии в городских условиях тратится впустую из-за торможения. Вот почему автомобили с ДВС, как правило, имеют хуже показатели в городе, чем при движении по шоссе. В отличие от них, электромобили используют рекуперативную энергию торможения, что дополнительно повышает их экономичность в любых условиях движения. Режим рекуперации используют как в городских условиях при торможении, так и на трассе при движении под уклон.

Добавим к сказанному основное достоинство электромобиля в городских условиях - экологичность. Если еще реализовать задачи, поставленные в данной работе по дальнейшему увеличению экономичности тягового электропривода электромобилей, то они в ближайшие годы смогут стать конкурентоспособными с традиционными автомобилями.

В данной диссертационной работе речь идет об АЭТС, имеющих на борту накопители электроэнергии, в частности, химические аккумуляторы и молекулярные накопители (суперконденсаторы), которые питают ТЭП, вращающий движитель (чаще всего ведущие колеса). Такими типами АЭТС являются не только электромобили, но и электрические квадроциклы, и гироскутеры, и моноколеса, и электросамокаты, и т.п.

В условиях ограниченной энергоемкости накопителей электроэнергии основной задачей является ее экономичное расходование. Это позволяет увеличить пробег АЭТС от «заправки» до «заправки», т.е. от подзарядки до очередной подзарядки накопителей, и обеспечить АЭТС конкурентоспособность с автомобилем. Именно в этом и состоит актуальность темы данной диссертационной работы - нехватка запаса электроэнергии сдерживает сегодня широкое внедрение АЭТС и вытеснение ими автомобилей, отравляющих выхлопами ДВС окружающую среду.

Часто переход от автомобилей к электромобилям связывают с необходимостью снижения потребления органического топлива, запасы которого на планете ограничены. Иногда высказывают и противоположное мнение, что с ростом числа электромобилей понадобится производить

больше электроэнергии, а для этого придется сжигать больше органического топлива. В результате не только увеличится его расход, но и больше будет загрязнение окружающей среды. На самом же деле расход органического топлива практически не изменится. Во-первых, электроэнергию получают не только на ТЭЦ, но и другими способами, без сжигания органического топлива: на ГЭС, АЭС, солнечных и ветряных электростанциях. Во-вторых, по ежегодно публикуемым данным Всемирного банка на долю всех видов транспорта приходится примерно половина общего потребления органического топлива, а на автомобильный транспорт - не более 20%. Ошибочно считать, что автомобильный транспорт является основным потребителем органического топлива. Что касается загрязнения окружающей среды, то следует учесть различие сжигания органического топлива на ТЭЦ, удаленных от населенных пунктов, и на распределенных по всему населенному пункту автомобилях, выделяющих продукты сгорания по всей площади населенного пункта. Отказ от автомобилей существенно улучшит экологическую обстановку именно там, где это жизненно необходимо - в местах скопления людей, животных, растений. Удаленные от этих мест ТЭЦ не нанесут такого вреда.

Таким образом, необходимость отказа от автомобилей и перехода на АЭТС диктуется исключительно экологическими соображениями, а не потребностью сократить расход органического топлива. Чтобы ускорить этот переход в современных условиях ограниченных возможностей накопителей электроэнергии, необходимо решить актуальную задачу экономичного ее расходования во всех режимах движения АЭТС. Решению этой актуальной задачи и посвящена данная диссертационная работа: требуется найти возможности экономичного расходования запасенной энергии во всех режимах работы ТЭП при движении АЭТС в принятых стандартных циклах. Это позволит увеличить дальность пробега АЭТС и обеспечить ему большую перспективность, чем та, которой обладают современные автомобили с ДВС. Тема остается актуальной до тех пор, пока не появятся накопители с

примерно удвоенной по отношению к имеющимся сегодня накопителям энергоемкостью.

В настоящее время проводится много исследований, посвященных развитию АЭТС и их тягового электропривода (ТЭП). Согласно только базе данных SCOPUS, на сегодня в мире имеется свыше 8000 публикаций, посвященных исследованиям ТЭП для АЭТС. В России можно отметить работы Н.Ф. Ильинского, А.С. Анучина, А.М. Русакова, В.Е. Ютта, Н.И. Щурова, В.Н. Аносова, Г.А. Федяевой и других. Многие ведущие мировые автопроизводители приступили к выпуску электромобилей и начали активно их продавать. Развивается и соответствующая инфраструктура, способствующая успешной эксплуатации электромобилей. Даже если стоимость энергии для электромобилей будет не ниже стоимости топлива для автомобилей, они найдут широкое применение из-за улучшенных экологических характеристик.

Несмотря на множество проводимых в области АЭТС исследований, задача экономного расходования электроэнергии комплексно еще не решена. Основными потребителями электроэнергии являются устройства, содержащиеся в силовом канале ТЭП. Тяговый электропривод является комбинированной электромеханической системой (ЭМС), содержащей в силовом канале электромеханический преобразователь энергии (ЭМП) и управляемый электронный преобразователь (ЭП). В свою очередь, ЭП содержит преобразователь уровня постоянного напряжения (DC/DC) и управляемый коммутатор обмотки якоря ЭМП, выполненный чаще всего по схеме трехфазного мостового инвертора, который совмещен с трехфазным выпрямителем. В канале управления ТЭП содержится цифровой контроллер, реализующий требуемые регуляторы, а также различные датчики необходимых для реализации алгоритмов управления параметров, в том числе датчик положения ротора (ДПР). Он может быть реализован как аппаратно, так и программно. В диссертации уделено внимание каждой из указанных выше составных частей ТЭП.

Объектом исследования является тяговый электропривод электромобиля с аккумуляторной батареей, обеспечивающий высокую энергетическую эффективность во всех режимах работы.

Предметом исследования являются алгоритмы управления тяговым электроприводом, основанные на реализации прямого управления моментом (ПУМ) с использованием двунаправленного преобразователя постоянного напряжения, с применением оптимизации формы выходного напряжения инверторов, а также с учетом различия функциональных схем ТЭП, позволяющих реализовать высокую энергетическую эффективность ТЭП во всех режимах его управления.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка функциональных схем ТЭП и алгоритмов его управления, при которых обеспечивается наибольшая энергетическая эффективность во всех циклах движения АЭТС с батарейным питанием.

Для достижения цели исследования в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработка нового способа реализации прямого управления моментом вентильного магнитоэлектрического двигателя без использования ОС по скорости, обеспечивающего пониженный уровень пульсацией крутящего момента и тока.

2. Исследование способов изменения режимов работы двунаправленного преобразователя постоянного напряжения (DC/DC) и моделирование режимов его работы.

3. Разработка нового метода реализации широтно-импульсной модуляции в параллельных инверторах, при котором каждый инвертор выполнен для работы с различным шаблоном широтно-импульсной модуляции. Оптимизация углов переключения параллельно соединенных инверторов, обеспечивающая форму трехфазного напряжения на выходе с уменьшенным содержанием гармоник и низким общим гармоническим искажением.

4. Создание физической модели параллельно соединенных инверторов и ее системы управления для оценки эффективности предложенного способа широтно-импульсной модуляции.

5. Сравнительное исследование энергетической эффективности ТЭП для АЭТС с батарейным питанием при различных режимах движения электромобиля.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые получены следующие научные результаты:

1. Предложена модифицированная схема реализации прямого управления моментом вентильного магнитоэлектрического двигателя, не содержащая ОС по скорости, обеспечивающая пониженный уровень пульсацией крутящего момента и тока.

2. Предложен алгоритм изменения режимов работы двунаправленного преобразователя постоянного напряжения (DC/DC), который улучшает характеристики тока аккумуляторной батареи при переходных процессах.

3. Разработаны и исследованы новый способ уменьшения гармонических составляющих выходного напряжения многомодульных преобразователей, состоящих из двух и более параллельных трехфазных инверторов, и алгоритмы управления этими преобразователями.

4. Разработана структура системы управления исследуемым ТЭП и методика расчета основных ее блоков.

5. Выполнена оценка расхода электроэнергии при движении АЭТС по принятой процедуре испытаний транспортных средств малой грузоподъемности (WLTP). Предложены практические режимы экономного расходования энергии в городском ездовом цикле.

Практическая значимость и реализация результатов.

1. Предложенный способ реализации прямого управления крутящим моментом позволяет существенно улучшить динамические и статические характеристики МЭД.

2. Разработанные алгоритмы управления ТЭП и предложенная структура системы в соответствии с условиями движения позволяют увеличить пробег электромобиля не менее, чем на 15%.

3. Созданная имитационная модель ТЭП электромобиля, в которой используются стандартные программные пакеты MATLAB / SIMULINK и AVL CRUISE, позволила исследовать различные режимы движения АЭТС и использовать их для оценки расхода электроэнергии в ТЭП. Она может быть использована и в последующих количественных оценках расходования энергии на электромобилях.

4. Изготовленная физическая модель параллельно соединённых инверторов и системы управления ими позволяет исследовать физические процессы в многомодульных электронных силовых преобразователях.

Методы и средства исследования базируются на фундаментальных положениях теоретических основ электротехники, теории автоматического управления и оптимизации. Использовано математическое и компьютерное моделирование с применением апробированных программных комплексов MATLAB / SIMULINK и AVL CRUISE, а также статистические методы обработки данных и информации, положения теории Максвелла и теории электромагнитного поля при математическом моделировании электромагнитных процессов, основы теории электрической тяги при тяговых расчетах, экспериментальные исследования на физической модели.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Модифицированный метод и средства прямого управления моментом вентильного магнитоэлектрического двигателя, обеспечивающие пониженный уровень пульсаций крутящего момента и повышение КПД электромеханического преобразования.

2. Алгоритмы управления тяговым электроприводом автономных электрических транспортных средств.

3. Имитационная модель ТЭП электромобиля, разработанная в стандартных программных пакетах MATLAB / SIMULINK и AVL CRUISE.

4. Методика определения углов переключения силовых ключей при избирательной широтно-импульсной модуляции в параллельно соединённых инверторах.

5. Физическая модель силовой части ТЭП и системы управления параллельно соединенных инверторов. Результаты физического моделирования и их сравнительного анализа с результатами математического моделирования.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием основных положений теории электрической тяги, электропривода и современных методов моделирования процессов электротехнических комплексах, а также совпадением в пределах погрешности основных результатов, полученных на основе аналитических выражений, с результатами моделирования в среде MATLAB / SIMULINK, AVL CRUISE и натурного эксперимента на физической модели.

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в:

1. Учебный процесс кафедры электротехнических комплексов автономных объектов и электрического транспорта НИУ «МЭИ», использована на практических занятиях Омара А.М. - иностранного преподавателя, ассистента кафедры ЭКАО и ЭТ.

2. Исследовательский процесс кафедры электротехники и вычислительной техники Университета Западного Онтарио «UWO», Лондон, Канада.

Апробация полученных результатов. Основные результаты работы докладывались на:

1. Заседаниях и научно-технических семинарах кафедры

электротехнических комплексов автономных объектов и

электрического транспорта ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в 2016, 2017,

2018 годах.

2. Второй и третьей международных научно-технических конференциях

«Пром-Инжиниринг», г. Челябинск, 2016г. и г. Санкт-Петербург, 2017г.

3. Одиннадцатой и двенадцатой международных конференциях «The International Forum on Strategic Technology (IFOST)», г. Новосибирск, 2016 г, и г. Ульсан, Корея, 2017 г.

4. Шестнадцатой международной конференции «IEEE 16th International Conference on Environment and Electrical Engineering». г. Флоренция, Италия, 2016 г.

5. 19-й международной конференции «19th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS 2016) », г.Чиба, Япония, 2016 г.

6. Международной конференции «International Middle East Power Systems Conference (MEPCON)», г. Каир, Египет, в 2016, 2017, 2018 годах.

7. XVI и XVII международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты МКЭЭЭ», Крым, Алушта, 2016 г, 2018 г.

8. Международной конференции «IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus 2017) », г. Москва, 2017 г.

9. XXIII и XXVI международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика», г.Москва, 2017 г, 2018 г.

10. 25-й международной конференции «25th International Workshop on Electric Drives (IWED 2018), г. Москва, 2018 г.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 18 печатных трудах, из них 12 статей опубликовано в журналах, входящих в международные системы цитирования (Scopus, Web of Science), 4 статьи - в сборнике трудов, индексируемом в РИНЦ, 2 статьи - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора состоит в разработке и анализе тягового электропривода для электрического транспорта, в разработке и реализации методики оптимизации углов переключения для параллельно соединенных инверторов, в разработке и реализации физической модели электродвигателя

для электропривода, в планировании, проведении и интерпретации экспериментальных исследований, написании статей, участии в публичном обсуждении и анализе полученных результатов.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 156 страницах, имеет 69 иллюстраций, 12 таблиц, включает титульный лист, оглавление, введение, 5 глав с результатами работы, заключение, список использованной литературы (126 позиции).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, cформулирована цель и поставлены задачи исследований, перечислены методы исследования и приведена структура диссертационной работы.

В первой главе представлен обзор технической и научной литературы, наиболее актуальных публикаций, кратко описаны основные функциональные схемы энергосиловых установок автономного электрического транспортного средства (АЭТС), выбран тип электропривода, потенциально позволяющий наиболее экономно расходовать электроэнергию.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Омара Ахмед Мохамед Эльрефаие, 2019 год

- -

, , , . . . . . . , , , , , , . . . . , . 1

О 0.02 0.04 0.06 0.0Н 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

Время, 1 (сек.)

Рис. 3.8. Временная диаграмма токов дросселей (ibi, ib2) модулей конвертера при резистивной нагрузке 400 Ом.

Рис. 3.9. Временная диаграмма напряжений на дросселях (идр1, идрг) для модулей конвертера при резистивной нагрузке 400 Ом.

Рис. 3.10. Изменение напряжения бортовой сети постоянного тока Цае, напряжения батареи Цъ и тока батареи Ь при ступенчатом изменении сопротивления нагрузки от 400 Ом до 160 Ом..

Рис. 3.11. Изменение напряжения бортовой сети постоянного тока и токов дросселей (ш, ш) при отключении второго модуля.

Рис. 3.12. Работа преобразователя в установившемся режиме повышения

напряжения.

0

-0.5

■ч -1

-1.5

2

5 400

о

200

144

0

0

-0.5

■ч

-1.5

2

-1-;- -1-(- -1-(-1-!-

Л лА А А Л^Л Ь2

~ - - i -i +i , , I ft ®J j Ь2 | |

0.1 0.1001 0.1001 0.1002 0.1002 0.100J 0.1003 0.1004 0.1004 0.1005 0.1005

\ \ i \

=400B

i i i i

0.1 0.1001 0.1001 0.1002 0.1002 0.1003 0.1003 0.1004 0.1004 0.1005 0.1005

i

i

i

i

i

1

0.1 0.1001 0.1001 0.1002 0.1002 0.1003 0.1003 0.1004 0.1004 0.1005 0.1005

Время, t (сек.)

Рис. 3.13. Работа преобразователя в установившемся режиме понижения

напряжения.

500

450

400

350

300

§ 250

*

о 200

150

100

50

0

i - - -. A 1 =10. k =1000

г !

W

w\

f A =10, p 200 k. =500

\ a =10, k

=10, k =1 i 00 r 1

a' -j \ 0,k, =50

p

J

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Время, t (сек.)

0.35 0.4 0.45 0.5

Рис. 3.14. Переходный процесс установления напряжения в бортовой сети при разных значениях коэффициентов усиления регуляторов.

600

500 450 400

. 300 200 100

a j i i i i i i i i

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

Время, 1 (сек.)

Рис. 3.15. Переходные процессы при работе преобразователя без ограничения уровня напряжения и с релейным ограничением.

3.4 Выводы по главе 3

Анализ результатов выполненного моделирования переходных и установившихся процессов в исследуемом реверсивном двунаправленном регуляторе постоянного напряжения позволяет сделать следующие выводы. Высокочастотные пульсации выходного напряжения преобразователя как в режиме повышения, так и в режиме понижения напряжения не превышают трех процентов от среднего значения. Продолжительность переходного процесса достижения выходным напряжением преобразователя установившегося значения при его включении составляет не более 200 мс. При скачкообразном изменении нагрузки в 2,5 раза выходное напряжение преобразователя восстанавливается примерно за 0,5 с. Таким образом, результаты проведенного исследования подтверждают достаточно высокие характеристики преобразователя и целесообразность использования его в ТЭП электрических транспортных средств.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПАРАЛЛЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫХ ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Обычно силовые инверторы соединяют параллельно тогда, когда их применяют для питания потребителей повышенной мощности, таких как электрический привод, мощные компрессоры, высокоскоростные лифты и т.п. [67]—[70]. Кроме того, их параллельное соединение может позволить использовать некоторые преимущества такие, как модульность, повышенная отказоустойчивость, высокая мощность при необходимости использовать коммутирующие ключи ограниченной мощности, получить хорошее качество выходного напряжения и тока, низкую стоимость [67], [69], [70]. При этом основная проблема заключается в наличии уравнительных токов, которые протекают между параллельными модулями инвертора. Для решения этой проблемы были проведены различные исследования [71]-[75]. Другие исследования были выполнены с учетом разделения мощности в параллельной инверторной системе [76]-[78].

При реализации параллельно соединенных инверторов циркулирующему (уравнительному) току уделяется особое внимание. Из-за асимметрии параметров и сигналов управления, напряжение параллельно подключенных фаз может быть разным, создавая циркулирующий ток между модулями инверторов [79]. При неправильном обращении такой циркулирующий ток оказывает неблагоприятное воздействие на работу системы, например, увеличивает напряжение, ток и потери в коммутирующих элементах [80]. Циркулирующий ток можно избежать, например, путем обеспечения гальванической развязки между параллельными инверторами с использованием изолирующего (развязывающего) трансформатора либр трансфильтра [81]. Однако

использование громоздкого трансформатора увеличивает массу и объем преобразователя. На электромобиле он может занять недопустимо много места. Таким образом, приходится мириться с наличием прямой связи между модулями преобразователя, а также с фазными обмотками якоря. Другой подход заключается в подавлении циркулирующего тока до некоторого приемлемого уровня. Уже длительное время методы подавления циркулирующего тока для параллельно соединенных инверторов интенсивно изучаются.

Методы управления многоканальными преобразователями принято делить на три категории: пассивные методы, методы активного управления и методы модуляции. Пассивные методы значительно увеличивают объем и стоимость системы. Кроме того, объем и стоимость пассивных компонентов, таких как индуктивные катушки с магнитной связью (С1) [82], сильно зависят от характера циркулирующего тока, который может быть изменен только активными методами. Методы активного управления используют регулятор для регулирования циркулирующего тока [83]. Но только низкочастотные составляющие циркулирующего тока можно регулировать в связи с ограничением полосы пропускания частот управления. Основной компонент циркулирующего тока находится на частоте переключения, которую можно регулировать только методами модуляции.

Поэтому были предложены различные стратегии широтно-импульсной модуляции для управления работой параллельной инверторной структуры. Как правило, синусоидальную широтно-импульсную модуляцию (CШИМ, англ. SPWM) реализуют при высокой частоте переключений. Поэтому такое решение неприемлемо для электропривода, работающего в зоне низкой частоты вращения, где необходимы низкие частоты переключения ключей инвертора. В настоящее время среди известных методов управления широтно-импульсной модуляцией с удалением выделенных гармоник (ШИМ с УВГ, англ. SHEPWM) считается наиболее подходящей стратегией для устранения высших гармоник невысокого порядка при низкой частоте

переключения [84]-[87]. По сути, она является избирательной гармонической фильтрацией ширины импульса. Это один из методов, применяемых для решения задач ШИМ, который позволяет управлять выходным напряжением инвертора, выбирая соответствующие углы переключения силовых ключей. Метод селективной гармонической элиминации имеет ряд преимуществ, таких как низкие потери при переключении, высокое усиление напряжения, малые требования к фильтру, низкое полное гармоническое искажение (Коэффициент нелинейных искажений КНИ, англ. THD).

Концепция использования удаления выделенных гармоник (УВГ, англ. SHE) для управления ШИМ основана на использовании метода Фурье для анализа формы выходного напряжения. Основная задача состоит в том, чтобы рассчитать углы переключения ключей, необходимые для устранения определенного гармонического содержания невысокого порядка, путем аналитического решения нелинейных уравнений ШИМ с селективной гармоникой. Такие решения стали возможными при наличии мощных сигнальных процессоров, методов и средств быстрой цифровой обработки сигналов, в том числе цифровых фильтров и соответствующего математического аппарата. В технической литературе предложены многочисленные методы решения подобных задач, например, итерационные подходы (метод Ньютона-Рафсона), методы оптимизации типа генетического алгоритма (методы многомерной оптимизации), метод роя частиц (МРЧ) и т.п. [87]-[93]. Процедура метода Ньютона-Рафсона имеет недостаток, состоящий в сложной оценке начальных значений, что приводит к ухудшению сходимости. Кроме того, при увеличении количества углов переключения трудно найти правильное решение. Хотя Метод роя частиц (МРЧ, англ. PSO) и генетический алгоритм (ГА) используются для решения ограниченных нелинейных уравнений. Г A считается более подходящим для решения задач многокритериальной оптимизации (англ. MOOP) благодаря использованию операторов эволюции, таких как кроссовер и мутация.

Для преобразования параметров электроэнергии значительной

мощности в силовой преобразовательной технике широко применяется способ, который в [94] получил обобщенную формулировку и распространен практически на все известные классы "статических" преобразователей [94], [95]. Он назван способом многоканального преобразования (МКП) энергетического потока (ЭП). Известными достоинствами способа МКП являются: улучшение электромагнитной и электроэнергетической совместимости (как по выходу СП, так и по его входу) при увеличении числа каналов [95], [96], а также возможность (и целесообразность) преобразования значительных мощностей при имеющейся в наличии элементной базе ограниченной мощности [97]. Использование принципа МКП, например, при синтезе вентильных электроприводов, позволяет значительно улучшить их показатели качества [98], [99].

В структурах силовых преобразователей с многоканальным преобразованием энергетического потока суммирование токов каналов осуществляют с использованием либо трансфильтров (ТФ), либо сглаживающих дросселей [99]. В [99] решается задача сопоставления этих двух альтернативных вариантов по массогабаритному показателю с учетом влияния их на показатели всего преобразователя. Показано, что при равных условиях по заданным показателям качества однозначное и убедительное преимущество имеет вариант с использованием ТФ. Вывод распространяется на все классы статических преобразователей с многоканальным преобразованием энергетического потока. Качественно аналогичный результат следует ожидать и в статических преобразователях других классов. Установлено, что для суммирования токов каналов целесообразно применять не сглаживающие дроссели, а ТФ [99]. Все эти технические решения являются подбором структурно-алгоритмической организации силового электронного преобразователя. Они заведомо предполагают использование уравнительных реакторов либо трансфильтров, т.е. силовых элементов, согласующих работу каналов преобразования энергии.

Трансфильтры позволяют устранить множество высших гармоник, но

это элементы, установленные в силовом канале, что увеличивает массу и объем преобразователя. В настоящее время известно и используется много разных цифровых алгоритмов селекции гармоник [74], [100]—[103]. что позволяет обойтись без трансфильтров и других дополнительных силовых элементов. Новые цифровые алгоритмы управления ШИМ позволяют устранить выбранные гармоники более простыми аппаратными средствами (обойтись в качестве реактора просто дросселем, а не трансфильтром). Именно поэтому в последние годы в западных странах пошли по другому пути - по пути цифровых алгоритмов селекции гармоник ради упрощения силовой схемы и уменьшения ее массы и объема. Используют расчетные алгоритмы преобразования постоянного напряжения в переменное посредством ШИМ, но простейшими силовыми средствами - всего одним-двумя инверторами вместо многокаскадных преобразователей. В данной диссертации эта модная на Западе стратегия усовершенствована в соответствии с рекомендациями, давно разработанными российскими авторами [95], [96], [98], [99], [104]—[107]. Усовершенствование состоит в известной реализации разных углов переключения для каждого из двух модулей инвертора.

Глава 4 посвящена разработке нового подхода к реализации широтно -импульсной модуляции (ШИМ) в параллельных инверторах, каждый из которых предназначен для работы с разным шаблоном ШИМ. В работе использована адаптивная стратегия управления ШИМ с УВГ (SHEPWM) по избираемой гармонике, основанная на методе оптимизации генетического алгоритма [108]—[111]. Цель предложенного метода - уменьшить полное гармоническое искажение (THD) и исключить дополнительное гармоническое содержание из формы выходного напряжения двухмодульных параллельно подключенных инверторов. Новизна предлагаемого способа заключается в применении различных углов переключения силовых ключей одновременно к каждому инверторному модулю. Оптимальные углы коммутации определяются путем решения нелинейных уравнений ШИМ с

УВГ (SHE-PWM) в качестве задачи многоцелевой оптимизации (МООР) с использованием генетического алгоритма (ГА). Эффективность предлагаемого подхода оценена для случаев генетической селекции трех, пяти и семи гармоник. Результаты моделирования в среде МАТЬАБ/ SIMULINK [112] показали полезность предложенного метода для снижения дополнительных гармоник в сравнении с традиционным подходом.

4.1 Математическая модель метода ШИМ с удалением выделенных гармоник (ШИМ с УВГ)

Сначала в этом разделе представлена математическая модель, использующая традиционную методику селективного подавления гармоник ШИМ, применяемая для трехфазного двухуровневого инвертора напряжения. Впоследствии представлена математическая модель предлагаемого метода для двухмодульных инверторов напряжения, работающих параллельно.

4.1.1 ШИМ с УВГ для трехфазного двухуровневого инвертора напряжения (один модуль)

На рис. 4.1 показано биполярное напряжение фазы прямоугольной формы, полученное посредством использования метода ШИМ с УВГ, который реализуется на двухуровневом инверторе напряжения (англ. УШ). Количество (Ы +1) углов переключений (а1, а2, а3 ... а^+1) является обязательным для управления основной составляющей выходного напряжения и устранения N четного числа нечетных гармоник невысокого порядка (5Л, 7Л, 11Л, 13Л ... п = 3^1). Для того, чтобы устранить четное количество гармоник невысокого порядка, углы переключения должны быть определены между 0° и 90°. С помощью анализа разложения в ряд Фурье выходного напряжения (4.1) требуемые углы переключения можно рассчитать. Вследствие полуволновой и четвертьволновой симметрии формы выходного напряжения будут существовать только нечетные гармоники. Следовательно, можно принять а0 = 0, Ьп =0 и ап может быть вычислены, как

показано в формуле (4.2). Итак, углы переключения могут быть определены

путем подстановки в (4.2) с использованием (4.3) и (4.4), где индекс модуляции М представлен в (4.5):

ад да да (4 1)

V Лт(ю1) = — + Е а„ ъ\п(пШ) + Е Ь„ соъ(пШ) ^ ' '

2 п =1 п п =1 п

4 N+1 к (4 2)

ап = —(-1 - 2 X (-1) со$(пак)) 4 ' пл к=1

N+1 к 2 + Мл (4 3)

- X (-1)к ео8(ак) =--(4.3)

к=1 к 4

N+1 к 1 (4 4)

X (-1) соЭ(пак) = -к=1 к 2

0< м <1

(4.5)

где,

к = 1, 2, 3 ... (N+1 = количество углов переключения); п = 5, 7, 11 ... 3^1 когда N = четное число гармоник; п = 5, 7, 11 ... 3^2 когда N = нечетное число гармоник.

1 1

1 40 18 ) 1 270 ; ЬО 0

ТТ Т Т Т ч

аЛ а_ а} п-а} л-а. л-а\

Рис. 4.1. Форма сигнала выходного напряжения фазы А трехфазного

инвертора напряжения.

4.1.2 ШИМ с УВГ для двух модулей трехфазного двухуровневого

инвертора напряжения

Схема подключения двухмодульных преобразователей, работающих параллельно, показана на рис. 4.2. В отличие от обычного метода реализации ШИМ, в котором используют одни и те же импульсы переключения для каждого инверторного модуля, предложенный подход основан на использовании двух отдельных импульсов переключения для каждого отдельного инверторного модуля. Основным преимуществом этого подхода является то, что в выходном линейном напряжении гармоники устраняются дважды. Каждый инверторный модуль функционирует с одинаковой частотой переключения, но с различными импульсами переключения, что увеличивает общую соответствующую частоту переключения и позволяет удалить дополнительные гармоники. Традиционным методом в трехфазной системе устраняется содержание только 5-й и 7-й гармоник. При использовании же предложенного метода удаляются 5, 7, 11 и 13 гармоники.

Уравнения, используемые для определения требуемых углов переключения, получены из (4.3) и (4.4) и представлены в (4.6) - (4.8). В дальнейшем уравнения (4.6) и (4.7) используются для управления основными компонентами каждого отдельного модуля инвертора источника напряжения (УБ1). Хотя, (4.8) характеризует набор вычислений, которые используются для удаления точного гармонического содержимого.

N+1 к 1

/ =- 2 (-1) С08(а ) 1 к=1 к

к

2 + Ып

4

(4.6)

N+1 к 2

/ = - 2 (-1) С05(а ) 2 к=1 к

к

к 4

2 2 + Ып

(4.7)

N+1 к 1 N+1 к 2

/п = -2 (-1) соэ(па ) - 2 (-1) соб(па ) -1

(4.8)

где,

к = 1, 2, 3 ... (N+1 = количество углов переключения);

п = 5, 7, 11 ... 3#+1 когда N = четное число гармоник; п = 5, 7, 11 ... 3^2 когда N = нечетное число гармоник;

а\ - углы переключения первого модуля инвертора напряжения;

2

а к - углы переключения второго модуля инвертора напряжения.

Рис. 4.2. Схема подключения двухмодульных преобразователей,

работающих параллельно.

4.2 Процедура генетического алгоритма (ГА) оптимизации

4.2.1 Описание алгоритма

Генетический алгоритм — это эвристический алгоритм поиска, используемый для решения задач оптимизации и моделирования путём случайного подбора, комбинирования и вариации искомых параметров с использованием механизмов, аналогичных естественному отбору в природе. Является разновидностью эволюционных вычислений, с помощью которых решаются оптимизационные задачи с использованием методов естественной эволюции, таких как наследование, мутации, отбор и кроссинговер. Отличительной особенностью генетического алгоритма является акцент на

использование оператора «скрещивания», который производит операцию рекомбинации решений-кандидатов, роль которой аналогична роли скрещивания в живой природе.

Схема работы генетического алгоритма, показана на рис. 4.3. Задача формализуется таким образом, чтобы её решение могло быть закодировано в виде вектора («генотипа») генов, где каждый ген может быть битом, числом или неким другим объектом. В классических реализациях генетического алгоритма (ГА) предполагается, что генотип имеет фиксированную длину. Однако существуют вариации ГА, свободные от этого ограничения. Некоторым, обычно случайным, образом создаётся множество генотипов начальной популяции. Они оцениваются с использованием «функции приспособленности», в результате чего с каждым генотипом ассоциируется определённое значение («приспособленность»), которое определяет, насколько хорошо генотип, им описываемый, решает поставленную задачу. При выборе «функции приспособленности» (или fitness function в англоязычной литературе) важно следить, чтобы её «рельеф» был «гладким».

Из полученного множества решений («поколения») с учётом значения «приспособленности» выбираются решения (обычно лучшие особи имеют большую вероятность быть выбранными), к которым применяются «генетические операторы» (в большинстве случаев «скрещивание» — crossover и «мутация» — mutation), результатом чего является получение новых решений. Для них также вычисляется значение приспособленности, и затем производится отбор («селекция») лучших решений в следующее поколение. Этот набор действий повторяется итеративно - так моделируется «эволюционный процесс», продолжающийся несколько жизненных циклов (поколений), пока не будет выполнен критерий остановки алгоритма. Таким критерием может быть:

• нахождение глобального, либо субоптимального решения;

• исчерпание числа поколений, отпущенных на эволюцию;

• исчерпание времени, отпущенного на эволюцию.

Генетические алгоритмы служат, главным образом, для поиска решений в многомерных пространствах поиска.

Таким образом, можно выделить следующие этапы генетического алгоритма:

1. Задание целевой функции (приспособленности) для особей популяции.

2. Создание начальной популяции (начало цикла).

3. Размножение (скрещивание).

4. Мутирование (мутация).

5. Вычисление значения целевой функции для всех особей.

6. Формирование нового поколения (селекция).

7. Логическая проверка: если выполняются условия остановки, то "конец цикла", иначе - возврат в "начало цикла".

^Начало ^ _] г_

^ I, Начальная популяция

Да к

I--

/ Результирущщ / ая популяция

_1'_

^""конец ^

Рис. 4.3. Схема работы генетического алгоритма.

7

4.2.2 Использование ГА для поиска оптимальных углов переключения

Основной целью использования ГА является получение оптимальных углов переключения переключателей и минимизация полного гармонического искажения (THD%). Ранее назначенный набор нелинейных трансцендентных уравнений решается с помощью инструмента оптимизации MATLAB генетического алгоритма (ГА). Эта задача оптимизации решается с множеством целей с нелинейными ограничениями. Однако есть много решений этой проблемы оптимизации. Поэтому целью инструмента оптимизации является поиск набора решений, которые известны как фронт Парето с хорошим разбросом. Следует отметить, что все полученные решения на фронте Парето являются оптимальными и могут быть использованы. Оптимальные углы переключения получаются при различных значениях индекса модуляции 0,1<М<1,15. Инструмент оптимизации использовался для описания функции пригодности (4.9) и ее нелинейных ограничений (4.10). Таким образом, разработаны два различных м-файла и используются для выполнения оптимизации инструментов. Различные параметры проблемы оптимизации ГА сконфигурированы, как показано на рис. 4.4. Число переменных представляет собой количество углов переключения, которые необходимо получить. Следовательно, число переменных изменяется на три, пять и семь углов переключения. Нижние и верхние границы ограничивают диапазон каждого угла переключения от 0 ° до 90 °. Размер популяции определяется как 200. Функции создания и мутации включены и рассматриваются как зависимые от ограничений. Чтобы получить лучшие результаты, функция гибридной минимизации «fgoalattain» предназначена для запуска после окончания ГА.

2 2 2 (4 9)

Fitness = min[Z f + f + ... + fn ] V • /

0 < а < а < а < ... <a, < 90 (4.10)

12 3 к

Рис. 4.4. Представление настроенного инструмента оптимизации

в среде МЛТЬЛБ.

4.3 Результаты моделирования

Симуляционная модель двухмодульных преобразователей, работающих параллельно, была реализована с использованием Simulink / MATLAB, как показано на рис. 4.5. Предлагаемая методика SHE-PWM с использованием трех, пяти и семи углов переключения использовалась для генерации углов переключения с заранее определенным индексом модуляции. Впоследствии схемы переключения были применены к каждому инверторному модулю отдельно. Выходные клеммы двухмодульных преобразователей подключаются параллельно через выходные дроссели с индуктивностью 1мГ, затем подаются на трехфазный магнитоэлектрический

двигатель (МЭД). Сначала, м-файлы MATLAB использовались для генерации углов переключения при различных значениях индекса модуляции. После этого различные результаты были получены при моделировании с использованием метода SHE-PWM с тремя, пятью и семью углами переключения.

Для одномодульного преобразователя представлены результаты моделирования трех, пяти и семи углов переключения при разных значениях индекса модуляции, как показано на рис. 4.6. Значения этих углов переключения используются для реализации одного и того же шаблона переключения для каждого отдельного инверторного модуля в двухмодульных преобразователях с параллельным соединением. После этого оптимальные углы переключения, полученные из процедуры оптимизации ГА, использованы для реализации предложенного метода SHE-PWM.

При обычном методе управления ШИМ с удалением выделенных гармоник (ШИМ с УВГ), где оба инверторных модуля работают с одинаковыми углами переключения, осциллограммы токов в каждом из двух дросселей одной фазы (А) и их суммарный ток (т.е.. ток в нагрузке) показаны на рис. 4.7. Сравнивая кривые, можно сделать вывод, что амплитуда основной гармоники тока в каждом из двух дросселей составляет 9.29А, а амплитуда тока нагрузки оказывается, как и должно быть, вдвое больше (18.59А) потому, что ток в нагрузке является суммой токов в дросселях. Коэффициент искажения тока ТНО равен 10,11%.

При использовании предложенного метода управления ШИМ с УВГ, где каждый инверторный модуль работает с разными углами переключения, форма тока нагрузки улучшается, как показано на рис. 4.8. Амплитуда основной гармоники тока нагрузки здесь составляет 21.41А, а коэффициент искажения тока практически в два раза меньше (5,9%), благодаря двойному удалению гармоник.

Фазные напряжения на нагрузке показаны на рис. 4.9, Амплитуда основной гармоники фазного напряжения при использовании обычного

подхода составляет 198.5В при коэффициенте ТНО 64%. При использовании предложенного подхода, как показано на рис. 4.10, форма фазного напряжения улучшается, увеличивается амплитуда его основной гармоники до 229В, уменьшается коэффициент ТНО до значения 30,97%.

Для устранения двух нежелательных гармоник младшего порядка необходимо использовать три угла переключения (Ы + 1 = 3) в каждом инверторном модуле. При обычном методе ШИМ с УВГ, где каждый инверторный модуль работает с одинаковыми углами переключения (а] = 8,7787, а2 = 74,6048 и а3 = 80,2186), устраняются только 5-я и 7-я гармоники, как показано на рис. 4.11. При использовании предложенного метода SHE-PWM, где каждый инверторный модуль работает с разными углами переключения (а/ = 1,7411, а2] = 21,2004, аз1 = 26,99, а!2 = 14,7632, а22 = 36,9834 и а32 = 43,1702), из линейного выходного напряжения удаляются 5-я, 7-я, 11-я и 13-я гармоники, как показано на рис. 4.12. При этом коэффициент ТНО выходного напряжения снижается с 55,3% при традиционном методе до 33,27% при предложенном методе. Формы сигналов выходных токов заметно улучшаются, как показано на рис. 4.13.

Для целенаправленного удаления дополнительных гармоник выходного напряжения необходимо применять большее количество углов переключения. Например, использование пяти углов переключения для каждого модуля устраняет 5-ю, 7-ю, 11-ю и 13-ю гармоники с традиционным подходом ШИМ с УВГ, где каждый модуль работает с одинаковыми углами срабатывания (а1 = 10,3669, а2 = 23,1920, аз = 29,0769, а4 = 46,4319 и а5 = 49,9495), как показано на рис. 4.14. Однако отмечается, что базовое выходное напряжение уменьшено до 350,6 В, а коэффициент ТНО увеличен до 81,0%. В противоположность этому, с использованием предлагаемого метода ШИМ с УВГ, ТНО уменьшается до 41,13% где каждый модуль работает с разными углами переключения (а/ = 3,3437, а21 = 8,5476 аз1 = 12,9054, а41 = 34,148, аз1 =41,9023, а/ = 3,4986, а22 = 13,3265, аз2 = 23,9369, а42 = 56,9891 аМ аз2 = 60,0215), как показано на рис. 4.15. Видно, что уменьшается не только ТНО,

но и устраняются высшие гармоники 5-я, 7-я, 11-я, 13-я, 19-я и амплитуда 17-ой гармоники по сравнению с обычным подходом уменьшается. Сравнение трехфазных выходных токов с использованием обычного и предлагаемого подхода показывает, как формы токов заметно улучшаются с тем же значением основной гармоники и меньшим THD, как показано на рис. 4.16. Кроме того, для устранения гармонического содержания до 21-ой гармоники также можно использовать семь углов переключения, поэтому первой ощутимой гармоникой после основной будет 23-я, как показано на рис. 4.17. Однако амплитуда основной гармоники напряжения будет уменьшена до 344,3 В.

Рис. 4.5. Модель 8!МиЬШК для двухмодульных преобразователе.

Рис. 4.6. Переключение углов против индекса модуляции.

Рис. 4.7. Осциллограммы токов в каждом из двух дросселей одной фазы и их суммарный ток (то есть ток в нагрузке) с использованием обычного подхода.

Рис. 4.8. Сравнение токов нагрузки с использованием обычного и предлагаемого подходов.

Рис. 4.9. Фазные напряжения на нагрузке с использованием обычного подхода.

Рис. 4.10. Сравнение одной фазы напряжения с использованием обычного и предлагаемого подходов.

Рис. 4.11. Выходное линейное напряжение двухмодульных преобразователей и его спектр при использовании обычного подхода с

тремя углами коммутации.

Рис. 4.12. Выходное линейное напряжение двухмодульных преобразователей и его спектр при использовании предложенного подхода с тремя различными углами коммутации для каждого модуля.

Рис. 4.13. Сравнение выходных токов с использованием обычных и новых подходов с тремя углами переключения.

Рис. 4.14. Выходное линейное напряжение двухмодульных преобразователей и его спектр при использовании обычного подхода с

пятью углами коммутации.

-2П0

О 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05

Пте, 1 (к)

400

'= 200

100

1 1 1

- К1шс1ашсп1а1 (60Нг =350, ТНО-41.13"А -

;

О 1 2 3 4 5 6 7 Я 9 10 11 12 13 14 Щ 16 1$ 18 19 20 21 22 23 24 25

Ннгпшшс нгйег

Рис. 4.15. Выходное линейное напряжение двухмодульных преобразователей и его спектр при использовании предложенного подхода с пятью различными углами коммутации для каждого модуля.

Рис. 4.16. Сравнение выходных токов с использованием обычных и новых подходов с пятью углами переключения.

Рис. 4.17. Выходное линейное напряжение двухмодульных преобразователей и его спектр при использовании предложенного подхода с семью различными углами коммутации для каждого модуля.

4.4 Экспериментальная система

Экспериментальная установка показана на рис. 4.18. На рис. 4.19 показано линейное напряжение и его спектр для двухмодульного преобразователя, который устраняет пятую и седьмую гармоники (обычный подход). На рис. 4.20 показано линейное напряжение и его спектр для двухмодульного преобразователя, который устраняет 5, 7, 11 и 13 гармоники (обычный подход). На рис. 4.21 показан двухмодульный инвертор, который устраняет 5, 7, 11 и 13 гармоники (предложенный подход). Число углов коммутации (частота переключения) такое же, как на рис. 4.19, но количество устраненных гармоник удвоилось.

Рис. 4.18. Экспериментальный блок параллельно соединенных инверторов для питания обмотки якоря двигателя с постоянными

магнитами.

Рис. 4.19. Пятая и седьмая гармоники устраняются с использованием обычного подхода (а1 = 10,9876, a2 = 31,1822, a3 = 34,1776 и THD =

57,75%). (а) Напряжение между линиями, когда P = 2, N = 3, и с использованием обычного подхода (V: 200 В / div; t: 4 мс / дел). (b) Спектр линейного напряжения при P = 2 и N = 3 (х: 250 Гц / дел.).

Рис. 4.20. Пятая, седьмая, одиннадцатая и тринадцатая гармоники устраняются традиционным подходом (а1 = 10,1475, а2 = 23,1239, а3 = 28,7466, а4 =46,4253, а5 = 49,6207 и ТНБ = 57,6%). (а) Напряжение между линиями, когда Р = 2, N = 5, и с использованием обычного подхода (V: 200 В / div; ^ 4 мс / дел). (Ь) Спектр линейного напряжения при использовании Р = 2 и N = 5 (х: 250 Гц / дел.).

Trlg'd

1(ри) , Ш

1 17 19

(а)

(ъ)

Рис. 4.21. Пятая, седьмая, одиннадцатая и тринадцатая гармоники устраняются с новым подходом (all = 1.6501, a12 = 21.1994. А13 = 27.88, a22 = 42.3817, a23 = 44.2209 и THD = 34.7%). (а) Линейное напряжение, когда P = 2, N = 3, и с использованием нового подхода (V: 200 В / div; t: 4 мс / дел). (b) Спектр линейного напряжения при P = 2 и N = 3 (x: 250 Гц /

дел.).

4.5 Выводы по главе 4

В этой главе представлен пересмотренный модифицированный метод широтно-импульсной модуляции с удалением выделенных гармоник (ШИМ с УВГ, англ. (SHEPWM)), основанный на оптимизации генетического алгоритма (ГА) для двухмодульных параллельных преобразователей (У31). Два разных способа переключения были применены к каждому модулю преобразователя одновременно. Полученные результаты моделирования и экспериментальные результаты показывают, что качество формы выходного напряжения было улучшено за счет использования предлагаемой стратегии ШИМ с УВГ, которая приводит к уменьшению ее полного гармонического искажения (ТНО) и уменьшению числа гармоник низкого порядка. Соответственно, можно сделать вывод, что предлагаемый подход оказался лучше, чем традиционный метод ШИМ с УВГ для параллельной работы инверторов. Кроме того, решение нелинейных уравнений с использованием ГА позволяет реализовать методику ШИМ с УВГ с большим числом углов переключения и без обширных аналитических вычислений.

ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ В СТАНДАРТНОМ ЦИКЛЕ И ПОИСК ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЭКОНОМИИ ЭНЕРГИИ

НАКОПИТЕЛЯ ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЕЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ПО ТЯГОВЫМ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМ

Диссертационная работа посвящена поиску возможностей экономно расходовать запасенную в бортовых накопителях электроэнергию. Такие возможности, как показано в предыдущих главах работы, нашлись среди алгоритмов управления преобразованием энергии в электронных преобразователях (DC/DC и инверторе) и в электромеханическом преобразователе (электрической машине). Они имеются также, в выборе экономичных режимов движения Транспортного Средства. В данной главе представлены результаты моделирования работы энергосиловой установки (ЭСУ) электромобиля при питании от батареи аккумуляторов. Рассматриваемый тяговый электропривод (ТЭП) содержит четыре (по числу ведущих колес) тяговых электродвигателя (ТЭД) с одинаковыми номинальными значениями мощности для задних и передних колес.

В результате моделирования и анализа режимов движения электромобиля найдено две возможности экономно расходовать электроэнергию. Первое предложение состоит в том, чтобы в городском ездовом цикле, где много остановок и последующего возобновления движения, запускать ТЭД без инерционной нагрузки, а потом подключать ее посредством сцепления. Именно так поступают с ДВС на обычном автомобиле: ДВС запущен и непрерывно работает. Его коленвал вращается. При необходимости тронуться сцепление передает крутящий момент от ДВС на ведущие колеса. Второе - предложено использовать в качестве ведущих все четыре колеса ТС, снабдив каждое из них автономным ТЭД (вернее,

управляемым электроприводом) одинаковой мощности. А далее специальный контроллер управления потоком мощности (энергии) при разгоне ТС, движении на подъем и при обгоне (форсированном режиме движения) подает всю имеющуюся мощность на все четыре ТЭД. В установившемся режиме движения при малой нагрузке можно отключать два ТЭД из четырех имеющихся, что позволяет продлить ресурс ТЭД увеличить коэффициент нагрузки включенных ТЭД и повысить КПД.

В работе предложены алгоритмы управления питанием ТЭД посредством специального контроллера управления питанием (КУП), позволяющие реализовать стратегию распределения потока энергии батареи между задними и передними колесами. Моделирование всей системы ЭСУ выполнено с помощью пакета программ AVL CRUISE [113], [114]. По результатам моделирования представлены данные о расходе электроэнергии при движении АЭТС в соответствии с "Согласованной всемирной процедурой испытаний транспортных средств малой грузоподъемности (WLTP)", позволяющие оценить эффективность предложенного алгоритма управления для экономного использования энергии батареи.

Использование автономных электрических транспортных средств (АЭТС) давно рассматривают в качестве эффективного пути решения задач снижения уровня загрязнения окружающей среды и одного из путей преодоления энергетического кризиса [32], [115]. Современные достижения в области тягового электропривода (ТЭП) и технологии накопителей электроэнергии обеспечивают развитие эффективной, надежной и экономичной системы электрической тяги автономных транспортных средств [116], [117]. В качестве тяговых двигателей (ТЭД) используют асинхронный и синхронные двигатели с частотным либо векторным управлением [47]. В качестве источника электропитания используют, в основном, литий-ионные аккумуляторы благодаря высокой плотности их энергии и длительному сроку службы [32], [118]. В этой главе исследуются ходовые качества электромобиля с аккумуляторной батареей [119]—[124]. Предлагаемая

функциональная схема распределения энергии накопителя показана на рис. 5.1. ТЭП содержит четыре независимо управляемых колесных ТЭД, собранных в две группы: передние моторы и задние моторы.

Четыре ведущих колеса, управляемых раздельно, позволяют реализовать необычные режимы движения: - не только вперед и назад, но и боком (что позволяет парковаться в узкое место); - как в гусеничных машинах, можно тормозить колесами одного борта; - колеса одного борта можно вращать в обратную сторону по отношению к направлению вращения колес второго борта, а это позволяет вращать транспортное средство на одном месте вокруг центральной вертикальной оси.

Основная цель работы в данной главе заключалась в имитации и моделировании расхода энергии накопителя в разных циклах движения электромобиля и выборе наиболее эффективного режима управления потоком энергии с позиции ее экономного расходования. Все четыре колеса нужно делать ведущими; каждое колесо должно иметь свой автономный ТЭД с механическим редуктором; все ТЭД должны быть одинаковой мощности; все вместе четыре ТЭД обеспечивают наибольший крутящий момент и разгон транспортного средства по предельной тяговой характеристике. В установившемся режиме движения транспортного средства с неизменной скоростью и при малом моменте сопротивления два ТЭД из четырех могут быть отключены. Это решение позволило исключить необходимость использования средств механики для изменения передаточного числа. Основная цель исследований состояла в определении алгоритма распределения энергии по ТЭД и ее расходования в режимах движения, при котором обеспечивается наибольшая экономичность и наибольшая дальность пробега АЭТС.

Рис. 5.1. Предлагаемая функциональная схема распределения энергии

накопителя.

5.1 Новые стандарты циклов движения, используемые для оценки расхода энергии

Как следует из обзора литературы, с осени 2018 года введен новый ездовой цикл (на требования и условия которого надо ориентироваться при оценках показателей любых транспортных средств) - WLTC (где C-цикл) или WLTP (где P - процедура). Это, как называют, "Мировой цикл", а точнее -Международная процедура, общепринятая для всех стран. Раньше использовали другие ездовые циклы. Например, с 1992 года по настоящее время используют Европейский ездовой цикл NEDC, Американский цикл (с более жесткими требованиями и нормами) EPA, Японский цикл JCO8.

5.1.1 Обзор европейского ездового цикла NEDC

Стандартизированный ездовой цикл NEDC распространялся на все легковые и легкие грузовые автомобили. Он был введен Евросоюзом в 1992 году для определения расхода топлива и специфических выбросов

автомобилей. Здесь в кратком обзоре представлено, какие основные условия лежали в его основе.

Новый Европейский цикл движения (КЕЭС) предназначен для оценки уровня вредных выбросов автомобильных тепловых двигателей и экономии топлива. Данный цикл моделирует типичную диаграмму движения на европейских дорогах. Данный измерительный цикл начал использоваться с 1 -го января 2000 года. Он описывает движение в городе и на трассе. Европейский городской ездовой цикл полностью воспроизводит эксплуатационные условия: работа двигателя автомобиля в режиме минимальной частоты вращения и активного холостого хода (имитация ожидания зеленого света светофора на перекрестке), трогание автомобиля с места и разгон до определенной скорости, движение с установившейся скоростью на определенном участке, переключение передач с низшей на высшую или в обратном порядке, разгон автомобиля от одной скорости до другой, торможение двигателем с одной скорости до другой или до полной остановки, служебное торможение до полной остановки с использованием рабочей тормозной системы. Первоначально разработанный для автомобильных транспортных средств с бензиновыми ДВС, этот ездовой цикл теперь также используется для автомобилей с дизельным двигателем и для оценки потребления электроэнергии и дальности пробега гибридных и аккумуляторных электромобилей. Цикл КЕЭС (рис. 5.2) состоит из двух частей: цикл ЕСЕ-15 - фаза городского движения (повторяется 4 раза, допустимые значения интервалов времени - от 0 с до 780 с); цикл ЕЦ0С -движение по автобану (по шоссе), продолжительность от 780 с до 1180 с.

Основные условия:

• Температура в испытательной камере 20 - 30° С.

• Длина испытательного участка 11 км.

• Продолжительность цикла 20 минут.

• Цикл состоит из двух фаз:

• Симуляция движения в городе продолжительностью 13 минут и симуляция движения за пределами города продолжительностью 7 минут.

• Средняя скорость около 33 км/ч.

• Доля времени стоянки 25 %.

• Максимальная скорость 120 км/ч.

• Точно предписаны моменты переключения передач для моделей с механической коробкой переключения передач.

• Не учитываются опциональное оснащение и климатизация.

Рис. 5.2. Цикл NEDC, реализуемый системой регулирования

электромобиля.

5.1.2 Обзор ездового цикла WLTP

Начиная с сентября 2017 года, для поступающих на рынок новых легковых автомобилей действуют новые значения расхода, которые определяются согласно новому стандарту WLTP (рис. 5.3). WLTP - это всемирно согласованная процедура испытаний легковых автомобилей, которая инициирует единую в мировом масштабе методику испытаний для определения расхода топлива и выбросов выхлопных газов. WLTP реформирует методику измерений и испытаний, применяемую автопроизводителями. Всемирно согласованная процедура испытаний легковых автомобилей, сокращенно WLTP, предназначена для испытаний легковых автомобилей и легких грузовых автомобилей. С 1 сентября 2017 года благодаря значительно более динамичным параметрам испытаний она должна обеспечить более реалистичные данные расхода.

О 400 800 1200 1600 2000

Время, г (Сек.)

Рис. 5.3. Цикл WLTP, реализуемый системой регулирования

электромобиля.

Основные условия:

• Температура в испытательной камере 23° С.

• Длина испытательного участка 23 км.

• Продолжительность цикла 30 минут.

• Он состоит из четырех фаз (низкий, средний, высокий, сверхвысокий).

• Средняя скорость 47 км/ч.

• Доля времени стоянки 13 %.

• Максимальная скорость свыше 130 км/ч.

• Моменты переключения передач предварительно индивидуально рассчитаны для каждого автомобиля.

• В оценку включены масса автомобиля и опциональное оснащение.

• Измерению подлежат все возможные комбинации двигателей и коробок переключения передач.

5.1.3 Сравнение цикла NEDC с циклом WLTP

Эти ездовые циклы отличаются тем, что в цикле WLTP использованы более длинные расстояния, более короткое время стоянки, а также тем, что методика испытаний для измерения расхода топлива и выбросов С02 автомобиля перенесена на испытательный стенд. Сравним условия теста по WLTP и по №ЮС (числа в скобках):

• Длительность теста 30 мин (20 мин).

• Длина тестовой дистанции 23,5 км (11 км).

• Время простоя 13%, т.е. 3,9 мин (25%, т.е. 5 мин).

• Число остановок/разгонов 12 (22). Скорость движения: средняя 46,6 км/час, (34 км/час) максим. 131 км/час (120 км/час).

• Фазы теста: низкая, средняя, высокая, сверхвысокая скорость движения; режим "Город" для электромобилей (городская, загородная, смешанная).

• Учитывается влияние всего оборудования на аэродинамику, массу и момент сопротивления качению (ранее ничего не принималось во внимание).

Используя этот принятый в настоящее время во всем мире цикл движения при моделировании, будем оценивать по аналогии с расходом органического топлива автомобилем расход электроэнергии электромобиля, обеспечиваемый аккумуляторной батареей. Итак, имея условия, соответствующие WLTP, можно оценить расход электроэнергии на электромобиле.

5.2 Параметры электромобиля, режимы движения которого моделируются

Основные параметры используемого при моделировании электромобиля представлены в таблице 5.1.

Требования к выходным показателям электромобиля приведены в таблице 5.2. Общее сопротивление движению определяется функцией скорости транспортного средства:

^ = С + СУ + СУ (51)

г 12 3

где:

^ - общее сопротивление движению,

С1, С2, Сз - три параметра, определяемые конструктивными особенностями. Принимаем: С1 = 143.06 Н, С2 = 0.0 Н/(км/ч), Сз= 0.03399 Н/(км/ч)2.

5.3 Требования к мощности и параметрам электромобиля

Для того, чтобы обеспечить уровень показателей электромобиля, приведенных в таблице 5.2, определим требования к режиму электропитания, рассчитываемые на основе параметров электромобиля, данных в таблице 5.1.

Таблица 5.1. Параметры электромобиля.

Параметр Значение Ед. изм.

Снаряженная масса, Мс 1200 кг

Масса брутто, ма 1580 кг

лобовая поверхность, А 1,97 м2

Коэффициент сопротивления качению, ^ 0,015 -

Коэффициент аэродинамического сопротивления, Сп 0,284 -

Момент инерции колес, 0,1431 кг. м 2

Радиус качения, Яя 287 мм

Таблица 5.2. Требования к показателям электромобиля.

Параметр Значение Ед. изм.

Максимальная скорость, Умах 120 км/ч

Время разгона от 0 до 100 км/ч, та 15 сек

Максимальный градиент подъёма, Омах 0,3 -

Пройденный путь, 5 >150 км

5.3.1 Требования к параметрам электропитания. 5.3.1.1 Требуемая мощность при максимальной скорости.

Максимальная мощность (кВт), необходимая для движения электромобиля при заданной максимальной скорости vmax =120 км/ч, рассчитывается по следующей формуле [125]:

P =(m gf + —-max)-max— (5.2)

vmax V 21,15 3600^

где: g = 9,81м/с2 - ускорение силы тяжести; m& кг - масса электромобиля; f -безразмерный коэффициент сопротивления качению; CD - безразмерный коэффициент аэродинамического сопротивления; -,м2 - лобовая площадь; цт - КПД механического редуктора (в относительных единицах); 21,15 -числовой коэффициент согласования единиц измерения параметров, входящих в (5.2).

5.3.1.2 Требуемая мощность при движении на подъем с максимальной крутизной.

При пренебрежении моментом сопротивления и ускорением мощность, кВт, требуемая при движении на подъем с заданной крутизной [125]:

PGmax = (mggfr cos(o) + mgg smOX) v° (5.3)

g g 3600%,

где:

vG - заданная скорость электромобиля на подъеме (vG = 10 км/ч); а - угол, соответствующий максимальному подъёму, а = tg-1 (Gmax), рад;

Gmax - максимальный градиент восхождения (см. таблицу 5.2).

5.3.1.3 Необходимая мощность, соответствующая требуемому времени разгона электромобиля.

Требуемая для разгона электромобиля от нуля до скорости 100 км/час за 15 сек мощность, кВт [125]:

um vacc m gfrvacc 0.4CnAv2 ч v „

P _ (' g acc I g^v r acc ^__d acc ) _acc (5 4)

acc _( 7.2^ 1.5 21.15 3600% '

где:

¡1=1.05 - коэффициент инерции вращающихся масс;

vacc = 100км/ч - конечная скорость электромобиля. Результаты расчетов по выражениям (5.2), (5.3) и (5.4) сведены в таблицу 5.3.

Таблица 5.3. Результаты расчета максимальной требуемой мощности из

разных условий.

Обозначение Численное знач. Размерность

p vmax 22,72 кВт

PG Gmax 14,43 кВт

Pacc 55,46 кВт

5.3.2 Выбор тягового электродвигателя.

Выбор ТЭД производится по наибольшей требуемой мощности (5.5), (5.6) и по наибольшей требуемой частоте вращения (5.7), (5.8):

Р > Р

max асс

Р,. > max( Р , Р )

га1ва V " & /

V Т

П _ _шах Я

max _ 0,377Я

п„

^тагей

Р

(5.5)

(5.6)

(5.7)

(5.8)

где:

Ртах, Ртаы -максимальная и номинальная мощности ТЭД соответственно;

птах, птеа -максимальная и номинальная частоты вращения соответственно;

в -кратность скоростей электромобиля (примем в=2,5).

В соответствии с изложенными соображениями следует выбирать ТЭД со значениями характеристик, не ниже значений, указанных в таблице 5.4.

Таблица 5.4. Требуемые характеристики тягового электродвигателя.

Параметр Значение Размерность

Максимальная мощность, Рмах 70 кВт

Номинальная мощность, Ряатео 28 кВт

Максимальная частота, ымах 7500 об / мин

Номинальная частота, ырат^в 3000 об / мин

Максимальным крутящий момент, Тмах 223 Н. м

Номинальным крутящий момент, Тяатео 90 Н. м

Вот на эти значения и должен быть спроектирован ТЭД, если он один обеспечивает движение электромобиля. И объем этого одного ТЭД будет велик, так как от него нужен большой крутящий момент, а частота вращения ограничена из условий механической прочности ротора значением примерно 7500 об/мин. Кроме того, как мы установили, один ТЭД необходимо снабдить механической трансмиссией (распределительные валы и дифференциальные редукторы), а это не рационально при наличии электрической трансмиссии.

Легковой автомобиль имеет обычно четыре колеса. Сколько из них должно быть ведущими и почему? На автомобиле с ДВС чаще всего используют два ведущих колеса. Потому, что проще и дешевле механическая трансмиссия. Лишь на внедорожниках используют все возможности, цена не останавливает, ради эксплуатационных качеств делают все четыре колеса ведущими. А как рациональнее выбрать число ведущих колес на электромобиле? Прежде всего, рациональнее не использовать элементы механической трансмиссии без особой надобности. Значит, не следует использовать один ТЭД на все четыре колеса, так как понадобятся распределительные валы и два дифференциальных редуктора. Кроме того, объем ТЭД определяется требуемым от него вращающим моментом. Один ТЭД на четыре колеса должен обеспечить суммарный большой момент. Диаметр ТЭД будет большим и из-за большого требуемого крутящего момента, и из-за низкой допустимой по условиям механической прочности частоты вращения ротора большого диаметра. Если поставить один ТЭД не на четыре, а только на два колеса, то выигрыш будет неполный, а частичный. Будут устранены один дифференциал и один распределительный вал. Проходимость транспортного средства с двумя ведущими колесами ухудшится в сравнении со случаем четырех ведущих колес. Если использовать два ведущих колеса, каждое из которых снабжено своим ТЭД, то потребуются два ТЭД половинной мощности в сравнении с одним общим на два колеса ТЭД. Если же использовать четыре ведущих колеса, каждое из которых снабжено своим ТЭД, то требуется четыре ТЭД на четверть

мощности. И каждый из них будет иметь самый малый объем, побольше допустимую частоту вращения, за счет чего объем будет еще меньше.

Таким образом, более рациональным является решение выполнить все четыре колеса ведущими и снабдить каждое из них своим ТЭД. Тогда элементы механической трансмиссии почти совсем не потребуются. Дифференциальный редуктор и распределительный вал не нужны. А общий объем и общая масса всех четырех двигателей будут существенно меньше, чем у одного общего ТЭД с механической трансмиссией, и меньше, чем у двух ТЭД вдвое большей мощности с необходимыми механическими элементами.

Имея четыре ТЭД одинаковой мощности, при необходимости можно два из них отключать. Следовало проверить с использованием математической модели, каково будет потребление мощности при работе в заданном цикле движения всех четырех ТЭД одинаковой мощности, и каково при работе только двух из них. Предельная тяговая характеристика транспортного средства строится при условии постоянства мощности. Каждый ТЭД дает четверть требуемого крутящего момента, и каждый ТЭД работает в одинаковом режиме.

Выберем для рассматриваемого ТЭП следующую компоновку: четыре двигателя с максимальной мощностью 18,8 кВт каждый вращают задние и передние колеса. В соответствии с изложенными соображениями следует выбирать ТЭД со значениями характеристик, не ниже значений, указанных в таблице 5.5. При моделировании вместо математической модели ТЭД была использована его тяговая характеристика в предположении, что она заранее известна. На рис. 5.4 приведены тяговые и тормозные характеристики двигателей передних и задних колес. Частоты вращения всех двигателей приняты одинаковыми. Если мы будем проектировать ТЭД на частоту вращения колеса транспортного средства, то от него потребуется большой

крутящий момент. В результате этот ТЭД будет иметь недопустимый объем. Следовательно, механический редуктор необходим.

Таблица 5.5. Требуемые характеристики тягового электродвигателя в

каждом колесе.

Параметр Значение Размерность

Максимальная мощность, Рмах 18,8 кВт

Номинальная мощность, Ряатео 15 кВт

Максимальная частота, ымах 7500 об / мин