К  ВОПРОСУ  ОБ  ОЦЕНКЕ  ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ  ХАРАКТЕРИСТИКИ  ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТНЫХ  СРЕДСТВ

Смотров  Евгений  Александрович

канд.  техн.  наук,  зав.  сектором  ГП  НТЦ  «Станкосерт»,  Украина,  г.  Одесса

E-mail:  ukrniisip@gmail.com

Вершинин  Дмитрий  Вениаминович

инж.-исследователь  ОДО  «СКБ  специальных  станков»,  Украина,  г.  Одесса

E-mail:  disveir@gmail.com

Субботин  Виктор  Владимирович

студент  каф.  ЭМСКУ  Одесского  национального  политехнического  университета,  Украина,  г.  Одесса

E-mail: 

ABOUT  ENERGY  PERFORMANCE  ESTIMATION  OF  THE  ELECTRIC  VEHICLE

Smotrov  Evgeniy  Aleksandrovich

Ph.  D.,  Head  of  Sector  SE  STC  “Stankosert”,  Ukraine  Odessa

Vershinin  Dmitriy  Veniaminovich

eng.-researcher  SAL  «SDD  of  the  special  machine  tool»,  Ukraine  Odessa

Subbotin  Viktor  Vladimirovich

student  of  the  EMSCC  Odessa  National  Polytechnic  University,  Ukraine  Odessa

АННОТАЦИЯ

В  работе  указано  на  необходимость  унификации  и  пересмотра  большинства  ездовых  циклов  для  последующего  применения  их  при  анализе  энергетических  свойств  электротранспортных  средств.  Проведено  сравнение  наиболее  распространенных  ездовых  циклов,  приведен  фрагмент  реального  режима  движения  в  городском  потоке.  Приведен  способ  продления  срока  службы  одного  из  основных  узлов  электротранспортного  средства  —  аккумуляторной  батареи,  при  движении  с  требуемой  динамикой.

ABSTRACT

It  necessary  to  revise  and  standardize  the  most  of  the  driving  cycles  for  the  proper  estimation  of  the  energetic  properties  of  the  electric  vehicle.  Comparisons  of  the  most  common  driving  cycles  were  performed  and  the  fragment  of  the  real-mode  traffic  was  considered.  A  method  of  prolong  the  battery  life  while  driving  with  the  desired  dynamics  were  proposed.

Ключевые  слова:  электротранспорт;  суперконденсатор;  аккумуляторная  батарея;  рекуператор;  энергия;  цикл.

Keywords:  electric  transport;  ultracapacitor;  battery;  recuperator;  energy;  cycle.

Основной  энергетической  характеристикой  электротранспортных  средств  (ЭТС)  является  расход  энергии  Втч/км  (очень  часто  оперируют  удельным  расходом  Втч/км/т).  Расход  энергии    представляет  собой  отношение  энергии  ,  затраченной  на  прохождение  определенной  дистанции    в  конкретном  режиме  движения,  к  величине  этой  дистанции    (и  к  массе  ЭТС    при  расчете  удельного  расхода):

                                                                (1)

                                         (2)

Энергию    можно  условно  разделить  на  две  составляющие:

                                           (3)

где:    —  энергия,  затраченная  на  преодоление  сопротивления  движению  (трение  в  шинах,  о  дорогу,  аэродинамическое  сопротивление  воздуха,  скатывающая  сила  при  наличии  уклона  дороги  —  Road  Load  [8]).

  —  энергия,  затраченная  на  изменение  скоростного  режима  ТС,  которая,  в  свою  очередь,  может  быть  разделена  на  энергию  разгона    и  энергию  торможения  .

Энергия    определяет  затраты  энергии  при  движении  с  постоянной  скоростью.  Похожий  характер  движения  наблюдается,  например,  на  автобанах,  скоростных  магистралях.  Энергия    характеризует  затраты  энергии  при  движении  с  переменной  скоростью,  причем    тем  выше  чем  выше  ускорения  ЭТС.  Похожий  режим  движения  (с  небольшими  ускорениями)  достигается  при  движении  в  часы  пик.  В  целом  движение  в  городских  условиях  будет  характеризоваться  смешанным  циклом  движения,  для  которого  будут  характерны  как  участки  движения  с  постоянной  скоростью,  так  и  с  переменной.

При  проектировании  основных  силовых  электрических  узлов  и  блоков  ЭТС  необходимо  знать,  характеристики  преобладающих  режимов  движения,  в  которых  будет  в  дальнейшем  эксплуатироваться  ЭТС.  С  этой  целью  —  анализа  реальных  условий  вождения  транспортных  средств  (ТС)  —  необходимо  разработать  специальные  или  пересмотреть  существующие  ездовые  циклы.  Существуют  стандартные  циклы,  которые  были  разработаны,  чтобы  обеспечить  основу  для  сравнения  различных  ТС,  оценки  выбросов  и  расхода  топлива.  Вместе  с  тем  за  последнее  десятилетие  значительно  выросли  скорости  и  ускорения  движения  потока  городского  транспорта,  так  в  Москве  на  ряде  основных  магистралей  разрешенная  скорость  составляет  80  км/час. 

Несоответствие  стандартных  циклов  (Ц)  для  определения  выхлопа  реальным  режимам  движения,  отмечаемое  многими  авторами  [1],  послужило  началом  анализа  режимов  движения  ТС  и  разработки  собственных  циклов  движения  для  различных  городов  (Москва  [2],  Афины  [10],  Пуна  (Индия)  [7]  и  др.)  Общим  для  всех  работ  является  более  напряженный  график  движения,  больший  уровень  скоростей  и  ускорений.

Комитет  интернациональной  ассоциации  общественного  транспорта  (UITP)  в  содружестве  с  производителями  автобусов  предлагает  свои  Ц  (во  многом  объединившие  Ц  различных  крупных  городов)  SORT  (Standardised  Оn-Road  Test)  [9]  и  упоминают  о  том,  что  ускорения  для  городского  Ц  лежат  в  пределах  1…  2  м/с²

В  табл.  1  предоставлены  результаты  обработки  Ц  ЕСЕ-15,  загородной  добавки  к  ЕСЕ-15-ЕUDC  и  нового  европейского  городского  Ц  NEDC.  Представлены  также  Ц  SORT  [9]  —  нагруженный,  облегченный  и  пригородный.

К  основным  характеристикам  Ц;  дистанции  ,  длительности  Ц  ,  максимальной  скорости  ,  средней  скорости    и  максимальным  значениям  ускорений  разгона    и  торможения    добавлены  дополнительные  характеристики  аналогично  [7].  К  ним  относятся:  относительные  суммарные 

Таблица  1.

Сравнительная  характеристика  циклов

Таблица  1.(продолжение)

Сравнительная  характеристика  циклов

значения  времени  стоянки  ,  установившегося  движения  ,  разгона    и  торможения  ,  выраженные  в  процентах  от  времени  Ц  . 

Анализируются  европейские  циклы,  как  наиболее  приближенные  к  нашей  стране.  Для  сравнения  также  добавлены  примеры  американских  Ц  –NY  bus  C  (городской)  и  Orange  County  bus  C  (пригородный).  Как  видно  из  данных  табл.1  американские  Ц  характеризуются  большей  динамичностью  по  сравнению  с  ЕСЕ  и  SORT,  меньшим  временем  установившегося  движения.

Также  характерной  особенностью  при  выборе  цикла  для  проектирования  основных  узлов  электрооборудования  должны  быть  особенности  эксплуатации  —  в  которые  входят  местность:  городская,  пригородная;  характер  движения:  свободный  (стоянка  вынужденная)  или  циклический  (стоянка  обязательна).  Так  городской  Ц  NY  bus  C  (  циклический)  характеризуется  большим  ускорением  разгона,  большой  длительностью  стоянок  —  следовательно  и  низкой  средней  скоростью,  что  существенно  отличает  его  от  пригородного  Orange  county  C. 

На  рис.  1  приведена  выборка  из  экспериментальных  данных  маршрутного  такси  в  г.  Одессе.  Для  тахограммы  на  рис.  1  проведена  соответствующая  обработка,  и  ее  результаты  занесены  в  табл.  1.  Сравнение  показывает,  что  цикл  маршрутного  такси  характеризуется  малым  интервалом  установившегося  движения,  а  из  динамических  участков  преобладает  торможение.  Средняя  скорость  находится  между  облегченным  и  нагруженным  циклами  SORT.  Максимальные  ускорения  в  полтора  (торможения)  —  два  раза  (разгон)  превышают  существующие  европейские  ездовые  циклы.

Рисунок  1.  Фрагмент  режима  движения  маршрутного  такси  (г.  Одесса)

Спроектированное  и  изготовленное  на  базе  европейского  городского  цикла,  например  ЕСЕ-15  [3],  ЭТС  просто  «не  впишется»  в  городской  поток.  При  проектировании  ЭТС  работающих  в  режиме  маршрутного  такси  по  городу  или  близкому  к  нему  считаем  целесообразным  взять  за  основу  данные  циклов  Heavy  SORT,  но  при  расчете  предельных  режимов  принимать  максимальное  ускорение/замедление  2  м/с². 

Такие  ускорения  ЭТС  при  движении  требуют  значительно  больших  токов  чем  при  движении  ЭТС  с  постоянной  скоростью.  В  ЭТС  источником  энергии  является  аккумуляторная  батарея  (АБ),  разряд  и  заряд  которой  большими  токами  (более  половины  от  номинальной  емкости)  сокращает  срок  жизни  АБ.  В  то  же  время  завышении  емкости  АБ  приводит  к  неоправданному  увеличению  габаритов,  массы  и  стоимости.  Следует  отметить,  что  стоимость  АБ  составляет  около  30  %  от  стоимости  ЭТС.

Одним  из  способов  ограничения  указанных  токов  является  введение  в  состав  электрооборудования  ЭТС  суперконденсаторов  (СК).  На  рис.  2  показана  схема  подключения  СК  к  АБ  через  реверсивный  DC-DC  преобразователь  [6].  Нагрузкой  источника  является  DC-AC  преобразователь  электропривода  (ЭП)  мотор-колеса  (МК).  Предварительный  заряд  СК  от  АБ  и  последующий  подзаряд  при  торможении  ЭТС  за  счет  рекуперации  позволяет  сформировать  динамический  источник  тока.  У  динамического  источника  тока  две  задачи  —  оперативный  прием  рекуперируемой  электроэнергии  при  торможении  ЭТС  и  «помощь»  АБ  в  формировании  пускового  тока  ЭТС.  На  рис.  2  приведен  пример  «распределения»  тока  ЭП  при  разгоне  и  торможении  между  АБ  и  СК. 

Рисунок  2.  Схема  включения  СК  в  состав  электрооборудования  ЭТС

Величина  емкости  СК  должна  соответствовать  указанным  задачам,  т.  е.  принять  энергию  рекуперации  и  обеспечить  разгон  ЭТС.  В  [8]  отмечено,  что  количество  энергии,  которое  может  быть  реализовано  при  торможении  ЭТС  при  движении  в  соответствии  со  стандартизованными  Ц,  составляет  не  более  1/3  от  кинетической  энергии  ТС.  Т.  о.,  если  добиваться  реализации    за  счет  дополнительного  динамического  источника  тока,  величина  емкости  СК  должна  соответствовать  выражению

                                        (4)

где:    —  максимальная  скорость  ЭТС  в  цикле;

  —  максимальное  рабочее  напряжение  СК;

  —  минимальное  рабочее  напряжение  СК;

  —  КПД  преобразователя  (рекуператора);

  —  масса  ЭТС;

При  определении  токов  и  выборе  элементов  рекуператора  –  силовых  ключей,  дросселя  и  т.  д.  необходимо  ориентироваться  на  максимальную  скорость  в  цикле  (или  в  ТЗ  на  ЭТС).

Для  оценки  энергетики  рекуператора  воспользуемся  следующим  рассуждением:  рекуператор  работает  при  разгоне  и  торможении  ЭТС.  Допустим,  при  этом  величина  тока  равна  предельному  значению  как  при  разгоне,  так  при  торможении.  Тогда  среднеквадратичный  ток,  определяющий  габаритную  мощность  рекуператора

                         (5)

при  равных  пиках  тока  разгона  и  торможения,  согласно  [4].

                                              (6)

При  предложенном  решении  энергия 

                                          (7)

обеспечивается  за  счет  энергии  АБ,  а  энергия 

                                              (8)

за  счет  АБ  и  рекуперируемой  энергии. 

Как  уже  отмечалось  выше,  в  СК  может  быть  отдано  около  1/3  от  кинетической  энергии  ТС.  Для  пополнения  заряда  СК  используется  энергия  АБ  в  паузах  (при  стоянке).  Такое  распределение  позволяет  избавить  АБ  от  пусковых  токов  и,  соответственно,  обеспечить  максимальную  длительность  жизненного  цикла  АБ.

Список  литературы:

1.Антипов  С.И.  Современные  испытательные  ездовые  циклы  и  их  актуальность  при  создании  алгоритма  работы  системы  управления  автомобиля  с  КЭУ.  /  С.И.  Антипов,  Ю.В.  Дементьев.  //  Известия  Волгоградского  государственного  технического  университета.  Серия  Наземные  транспортные  средства.  —  2013  —  №  10  (113),  —  Вып.  6  —  С.  8—11.

2.Ветров  Ю.  NEDC  и  ARDC:  Наука  и  жизнь  /  Ю.  Ветров  //  Авторевю.  —  2012.  —  №  11.  —  С.  32—35. 

3.Гибридные  автомобили  —  решение  экологической  проблемы  автомобильного  транспорта.  /  В.В.  Селифонов,  К.Е.  Карпухин,  А.И.  Филонов,  Баулина  Е.Е.,  Е.В.  Авруцкий  //  Известия  МГТУ  «МАМИ»  —  2007  —  №  2(4)  —  С.  30—44.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://lib.mami.ru/marc21/getfile.php?file=R2licmlkbnllX2F2dG9tb2JpbGkucGRm

4.Ключев  В.И.  Теория  электропривода.  /  В.И.  Ключев.  М.:  Энергоатомиздат,  2001  —  704  с.:  ил.

5.Смотров  Е.А.  Построение  тягового  электропривода  транспортного  средства  на  основе  многодвигательной  схемы.  /  Е.А.  Смотров,  Д.В.  Вершинин,  О.Г.  Дашко.,  Е.В.  Савилов  //  Журнал  автомобильных  инженеров  —  2011  —  №  5  (70)  —  С.  30—34.

6.Смотров  Е.А.  Рекуператор  бортового  источника  питания  электротранспортного  средства.  /  Е.А.  Смотров  //  Электротехнические  и  компьютерные  системы  —  2011  —  №  2  (78)  —  С.  7—12.

7.Kamble  Sanghpriya  H.  Development  of  real-world  driving  cycle:  Case  study  of  Pune,  India.  /  Sanghpriya  H.  Kamble,  Tom  V.  Mathew  and  G.K.  Sharma  //  Transportation  Research  Part  D:  Transport  and  Environment,  —  2009,  —  vol.  14,  —  Iss  8,  —  pp.  132—140.

8.Sovran  G.,  M.S.  Bohn.  «Formylae  for  the  Tractive-Energy  Requirements  of  Vehicles  Driving  the  EPA  Schedules»,  SAE  Paper  №  81084.

9.Standardised  On-Road  Test  Cycles  —  SORT.  A  ptoject  of  the  UITP  Bus  Committee  in  a  collaboration  with  manufactures.  54^th  UITP  International  Congress,  London,  2001.  Access  mode:  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://ec.europa.eu/environment/archives/clean_bus/slides/etienne_sort.pdf

10.Vehicle  emissions  and  driving  cycles:  comparison  of  the  Athens  driving  cycle  (ADC)  with  ECE-15  and  European  driving  cycle  (EDC).  E.  Tzirakis,  K.  Pitsas,  F.  Zannikos  and  S.  Stouknas.  Proceedings  of  the  9^th  International  Conference  on  Environmental  Science  and  Technology,  Rhodes  Islands,  Greece,  2005,  —  pp.  A1520-A1525.