Mathematical model of vehicle electrical energy recovery

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Nowadays, the most energy efficient are electric and hybrid vehicles. Despite the very high cost and insufficient design perfection, they are replacing traditional cars with internal combustion engines. In hybrid vehicles, it is relatively easy to implement energy storage systems using reversible electric machines and electric batteries. The results of a study on electrical energy generation in a vehicle are presented. The methods of mathematical and simulation modelling were used. The efficiency of operation of a vehicle with an electrical energy recovery unit is shown. The data of the generated electric current in the form of the received voltage when the vehicle is moving on various types of road surfaces are given. As a result of simulation modelling, it was found that one recuperator can generate an average of about 3 V, 12 V can be obtained from all four installed recuperators, which is enough to charge the storage units of the hybrid power plant.

Full Text

Введение Мировая тенденция роста цен на топливо и жесткая рыночная конкуренция вынуждают разработчиков и производителей проводить интенсивные исследования и ускорять внедрение энергоэффективных силовых установок и систем при создании новых транспортных средств различного назначения [1-2]. В настоящее время наиболее энергоэффективными являются электрические и гибридные автомобили, которые, несмотря на весьма высокую стоимость и еще недостаточное конструктивное совершенство, вытесняют традиционные автомобили [2-3]. Дальнейшее увеличение производства электромобилей и гибридных транспортных средств по-прежнему ограничивается дефицитом эффективных, компактных, безопасных и энергоемких аккумуляторов (ионно-литиевые, нанофосфаты лития, никель-металлогидритные и др.) [4-5]. В гибридных автомобилях относительно легко внедрить системы сбора энергии с использованием реверсивных электрических машин и электрических аккумуляторов [6]. При этом основным направлением рекуперации энергии, уже реализованным, являются различные практически проверенные системы выработки, накопления и реализации электрической энергии, получаемой при торможении машины [7-8]. В [9] рассмотрено устройство системы подрессоривания транспортного средства с рекуперацией механической энергии колебаний транспортного средства в электрическую энергию. Представлена математическая модель системы подрессоривания транспортного средства на основе амортизатора с рекуперативным эффектом. С помощью математической модели определена мощность, которую способна рекуперировать система подрессоривания транспортным средством при движении по дорогам неоднородного качества (асфальтовой и грунтовой) с различной скоростью. Зафиксировано, что при движении транспортного средства со скоростью 40-50 км/ч по асфальтобетонной дороге средняя рекуперируемая мощность системы составляет 0,011 кВт, а при движении по грунтовым дорогам - 0,206 кВт. В свою очередь в [10] описывается подход к энергоэффективному использованию активной электромеханической подвески. В работе основной целью является минимизация потерь энергии в активной подвеске посредством использования рекуперативного демпфирования колебаний движителей. Проведенный анализ алгоритмов управления параметрами подвески показал, что они имеют сложную структуру и для их реализации необходимы сложные системы управления. В [11] приведены различные виды устройств рекуперации подвески автомобиля, определены наиболее перспективные из них. Создан образец электрического амортизатора-рекуператора с высокими эксплуатационными свойствами, который относится к типу линейных электромагнитных генераторов. Построены циклограммы по времени действительных значений индуцируемого переменного тока, получены значения производимой устройством работы. Производимая устройством энергия варьируется в пределах от 0,3 до 1,9 кВт∙ч. Результаты многочисленных исследований указывают на перспективы повышения экономичности транспортных средств за счет создания в их подвесках эффективных систем рекуперации. Неизбежные колебания подрессоренной массы движущегося автомобиля, естественно, потребляют часть мощности силовой установки, на которую по разным оценкам, в зависимости от дорожных условий, приходится не менее 10-20 % потерь. Эта энергия может быть использована без ущерба для снижения эффективности работы подвески. Цель исследования - изучение генерации электрической энергии и изменения плавности хода транспортного средства с узлом рекуперации электрической энергии с помощью модели в среде MATLAB Simulink. 1. Материалы и методы Основными элементами электромагнитного рекуператора являются корпус, шток и крышка корпуса. В основе разрабатываемой конструкции линейного рекуператора лежит электромагнитная система. Данная система состоит из постоянного магнита, 125 листов электротехнической стали и 9 катушек. Крепиться рекуператор будет болтовыми соединениями в двух местах - в верхней части корпуса к раме автобуса и штоком к балке подвески. Компоновочная схема разрабатываемого электромагнитного рекуператора представлена на рис. 1. Магнит (9), приклеенный ко штоку (7), совершает вместе с ним возвратно-поступательные движения при колебании колеса автобуса, при этом магнитное поле магнита пересекает магнитные поля катушек (3), намотанных на листы электротехнической стали (1), вследствие чего в системе наводится электродвижущая сила (ЭДС) индукции. К корпусу крепится крышка (5) с помощью четырех болтовых соединений, состоящих из гайки (12), шайбы (13) и болта (14). В крышку устанавливается втулка из антифрикционного материала, позволяющая штоку совершать поступательные движения. Манжета (6) не позволяет попасть пыли и другим инородным тела внутрь устройства. Верхний (4) и нижний (10) изоляторы экранируют электромагнитный узел от металлического корпуса, тем самым уменьшая потери. С помощью втулок (8) рекуператор крепится к раме автомобиля и балке подвески. Рекуперативное устройство устанавливается так же, как амортизатор, и имеет ту же величину хода штока. В верхней части крепление производится к раме транспортного средства с помощью болтовых соединений, в нижней - к балке подвески также с помощью болтовых соединений. Изображение выглядит как линия, диаграмма, иллюстрация Автоматически созданное описание Рис. 1. Компоновочная схема линейного электромагнитного рекуператора: 1 - электротехническая сталь; 2 - корпус; 3 - катушка; 4 - верхний изолятор; 5 - крышка корпуса; 6 - манжета; 7 - шток; 8 - втулка крепления; 9 - магнит; 10 - нижний изолятор; 11 - втулка из антифрикционного материала; 12 - гайка; 13 - шайба; 14 - болт Figure 1. Layout scheme of a linear electromagnetic recuperator: 1 - electrical steel; 2 - housing; 3 - coil; 4 - upper insulator; 5 - housing cover; 6 - cuff; 7 - rod; 8 - fastening sleeve; 9 - magnet; 10 - lower insulator; 11 - sleeve made of anti-friction material; 12 - nut; 13 - washer; 14 - bolt Пример компоновочной схемы подвески транспортного средства с узлом рекуперации электрической энергии представлен на рис. 2. Эффективность данного устройства заключается в следующем: уменьшаются затраты на генерацию электрической энергии для зарядки аккумуляторных батарей, увеличивается плавность хода транспортного средства. Для исследования рекуперации электрического тока необходимо определить скорость движения штока рекуператора, который в общем устройстве подвески является демпфирующим элементом. Скорость движения штока можно определить по их математической модели, составленной по схеме, представленной на рис. 3. Чтобы моделировать движение колеса в вертикальной плоскости, необходимо располагать информацией о силовых факторах, действующих на него в каждый момент времени. В общем случае на i-е колесо j-го борта действуют [12-13]: - сила в i-м упругом элементе j-го борта Pупij (), Н; - сила в i-м демпфирующем элементе j-го борта Pдпij (), Н; - вес колеса mijg, кг и сила инерции Н; - упругая Pу.кij, Н и демпфирующая Pд.кij, Н составляющие со стороны шины. Изображение выглядит как зарисовка, рисунок, диаграмма, линия Автоматически созданное описание Рис. 2. Компоновочная схема подвески транспортного средства со встроенным рекуператором: 1 - рама; 2 - амортизатор; 3 - комплект рессор; 4 - балка с установленным на ней поворотным кулаком; 5 - рекуперативное устройство Figure 2. Layout scheme of a vehicle suspension with a built-in recuperator: 1 - frame; 2 - shock absorber; 3 - set of springs; 4 - beam with a mounted steering knuckle on it; 5 - recuperative device Изображение выглядит как зарисовка, рисунок, диаграмма, Штриховая графика Автоматически созданное описание Рис. 3. Схема взаимодействия колеса с опорным основанием: v - скорость движения КМ; Fij - сила в i-й подвеске j-го борта; Fкij - сила в i-м колесе j-го борта; mijg - вес колеса Figure 3. Scheme of wheel interaction with supporting base: v - speed of the vehicle; Fij - force in the i-th suspension of the j-th side; Fкij - force in the i-th wheel of the j-th side; mijg - wheel weight Уравнение движения колеса имеет вид (1) Упругие и демпфирующие характеристики подвески и шины будем задавать в виде зависимостей [14-15]: - упругие характеристики как зависимость упругой силы от прогиба; - демпфирующие характеристики как зависимость демпфирующей силы от скорости прогиба. Электромагнитный рекуператор можно представить в виде схемы на рис. 4. Для получения значений токов необходимо обычную трехфазную вращающуюся математическую модель генератора преобразовать в модель линейного генератора. После преобразований Парка и Кларка получаем математическую модель силы тока линейного электромагнитного генератора:
×

About the authors

Zar Ni Lin

Bauman Moscow State Technical University

Email: zarniznl15@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1839-3845
Scopus Author ID: 57936166500

postgraduate student, Department of Wheeled Vehicles and Applied Mechanics

6 Gagarina St, Kaluga, 248000, Russian Federation

Alexei V. Skrynnikov

Bauman Moscow State Technical University

Email: skryynnikovav@student.bmstu.ru
ORCID iD: 0009-0006-2311-1936
SPIN-code: 5982-4700

student, Department of Wheeled Vehicles and Applied Mechanics

6 Gagarina St, Kaluga, 248000, Russian Federation

Konstantin V. Chizhevsky

Bauman Moscow State Technical University

Email: konstantin201997@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-8452-863X
SPIN-code: 4153-1097
Scopus Author ID: 57936166600

postgraduate student, Department of Wheeled Vehicles and Applied Mechanics

6 Gagarina St, Kaluga, 248000, Russian Federation

Vladimir N. Sidorov

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: sidorov-kaluga@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0004-0214-1373
SPIN-code: 6162-2659
Scopus Author ID: 57222472914

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Wheeled Vehicles and Applied Mechanics

6 Gagarina St, Kaluga, 248000, Russian Federation

References

  1. Chizhevskij KV, Sidorov VN, Lin ZN. Analysis of international driving cycles of motor vehicle. Current Scientific Research in the Modern World. 2020;(2):109–114. (In Russ.)
  2. Becerra G, Alvarez-Icaza L, Flores De La Mota I, Mendoza-Soto JL. Simulation and optimization applied to power flow in hybrid vehicles. Applied Simulation and Optimization. 2017;2:185–224. https://doi.org/10.1007/978-3-319-55810-3_7
  3. Cárcel-Carrasco J, Pascual-Guillamón M, Salas-Vicente F. Analysis on the effect of the mobility of combustion vehicles in the environment of cities and the improvement in air pollution in Europe: a vision for the awareness of citizens and policy makers. Land. 2021;10(2):184. https://doi.org/10.3390/land10020184
  4. Insu C, Jongwon B, Junha P, Jinwook L. Experimental evaluation and prediction algorithm suggestion for determining SOC of lithium polymer battery in a parallel hybrid electric vehicle. Applied Sciences. 2018;8(9):1641. https://doi.org/10.3390/app8091641
  5. Chizhevskij KV, Sidorov VN. Design features of modern hybrid power plants. Modern Automotive Materials and Technologies (SAMIT-2019): Collection of Articles of the XI International Scientific and Technical Conference. Kursk; 2019. p. 379–383. (In Russ.)
  6. Rakov VA. Hybrid car fleet research. Transport na Alternativnom Toplive. 2013;(1):18–23. (In Russ.)
  7. Hellgren J, Jonasson E. Maximization of brake energy regeneration in a hybrid electric parallel car. International Journal of Electric and Hybrid Vehicles. 2007;1(1):95–121. https://doi.org/10.1504/IJEHV.2007.014449
  8. Rakov VA. Improving the energy efficiency of hybrid engines with a parallel arrangement of elements. Alternative Energy Sources in Road Transport: Problems and Prospects of Rational Use: Materials of the International Scientific and Practical Conference. Voronezh; 2014. p. 118–123. (In Russ.)
  9. Kireev AV, Kozhemyaka NM, Burdyugov AS. Energy recovery in the suspension of the vehicle. Znanie. 2016;(11–1):12–18. (In Russ.)
  10. Styrov AE. Approach to the use of energy recovery in electromechanical active vehicle suspension. Transaction of Scientific Papers of the Novosibirsk State Technical University. 2015;(2):106–115. (In Russ.) http://doi.org/10.17212/2307-6879-2015-2-106-115
  11. Posmetiev VI, Drapalyuk MV, Zelikov VA. Estimation of efficiency of application of system recovery of energy in car suspender. Polythematic Network Electronic Scientific Journal of the Kuban State Agrarian University. 2012;(76):21–36. (In Russ.)
  12. Zarutsky SA, Vlasenko EA. Data analysis automation in experimental research. Engineering Journal of Don. 2018;(1):69. (In Russ.)
  13. Vinogradov NV, Goryainov FA, Sergeev PS. Design of electrical machines. Moscow: Energiya Publ.; 1969. (In Russ.)
  14. Kalachev YuN. Vector regulation, practice notes. Moscow: EFO Publ.; 2013. (In Russ.)
  15. Rakov VA. Assessment methods of maintaining the technical condition of hybrid power plants vehicles. Technology of Wheeled and Tracked Machines. 2015;(2):25–31. (In Russ.)
  16. Kulikov IA, Selifonov VV. Modeling and simulation of parallel type hybrid electric vehicle. Trudy NAMI. 2009;(242):67–84. (In Russ.)
  17. Cheranjov SV. Hybrid electric vehicle development with mathematical simulation software application. Izvestiya MGTU “MAMI”. 2011;(1):116–120. (In Russ.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Lin Z.N., Skrynnikov A.V., Chizhevsky K.V., Sidorov V.N.

License URL: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/legalcode