Математическая модель рекуперации электрической энергии транспортного средства

Полный текст

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:

Об авторах

Зар Ни Лин

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

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

аспирант, кафедра колесных машин и прикладной механики

Российская Федерация, 248000, Калуга, ул. Гагарина, д. 6

Алексей Валерьевич Скрынников

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

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

студент, кафедра колесных машин и прикладной механики

Российская Федерация, 248000, Калуга, ул. Гагарина, д. 6

Константин Владимирович Чижевский

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

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

аспирант, кафедра колесных машин и прикладной механики

Российская Федерация, 248000, Калуга, ул. Гагарина, д. 6

Владимир Николаевич Сидоров

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

Автор, ответственный за переписку.
Email: sidorov-kaluga@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0004-0214-1373
SPIN-код: 6162-2659
Scopus Author ID: 57222472914

доктор технических наук, профессор кафедры колесных машин и прикладной механики

Российская Федерация, 248000, Калуга, ул. Гагарина, д. 6

Список литературы