Оптимизация комбинированной энергетической установки электротранспортного средства

Актуальность темы. В настоящее время все большее внимание уделяется развитию механизации и автоматизации производственных процессов, таких как транспортные операции, являющихся одними из самых трудоемких на производстве. Для соблюдения экологических норм заводского помещения, практически весь подвижной состав напольного внутризаводского транспорта состоит из электромобильного, так как в отличие от автомобилей у электромобилей отсутствует выброс в окружающую среду токсичных газов(за исключением заряда АКБ), что позволяет им работать в закрытых помещениях (заводских цехах, трюмах кораблей, ж/д и автовокзалах, аэропортах и т.д.), не загрязняя воздуха. Вместе с тем, у электромобильного транспорта есть и свои недостатки, такие как ограниченный запас хода без подзарядки бортового источника энергии. Анализ современных информационных источников показывает, что разработка и создание электротранспорта зачастую сводится к совершенствованию бортовой энергоустановки, питающей тяговый электродвигатель. Поэтому, актуальность проблемы оптимизации характеристик бортовой энергоустановки, в том числе совместным применением накопителей энергии различной физической природы в ее составе. Из всего этого следует, что важность работы над научно-технической задачей повышения энергетической эффективности тяговой системы этого транспортного средства, остается актуальной в наши дни. Решение данного вопроса существенно повысит эффективность использования электротранспортного средства, внося заметный вклад в развитие напольного внутризаводского электротранспорта. В диссертации рассмотрена концепция системного подхода к оптимизации параметров внутризаводского электротранспорта (ВЗЭТ), основанная на собранных к настоящему времени исследованиях общих закономерностей преобразования энергии в системе тягового электропривода, а также различных видов накопителей энергии, применяемых в составе комбинированной энергетической установки (КЭУ). Цель работы – повышение технико - эксплуатационных показателей внутризаводского электротранспорта путем повышения энергоэффективности его тяговой системы на основе комплексных исследований взаимосвязей, процессов и закономерностей в нем. Задачи исследований, обеспечивающие реализацию поставленной цели: ? анализ современного состояния и перспектив развития электромобилестроения и бортовых источников энергии; ? разработка обобщенной математической модели ВЗЭТ с КЭУ; –проведение комплексных исследований внутризаводского электротранспорта с помощью обобщенной математической модели при различных параметрах движения и разработка рекомендации по их улучшению для этого класса электротранспортных средств. Методика проведения исследований. Аналитические исследования взаимосвязей, процессов и закономерностей в тяговой системе напольного внутризаводского электротранспорта осуществлены графоаналитическим методом с использованием основных положений теории автомобиля, тягового электропривода и методов математического моделирования. Выявленные количественные взаимосвязи между параметрами исследуемых накопителей энергии и тягового электропривода представлены в аналитическом виде и графической интерпретацией. Результаты и выводы работы теоретически обоснованы и подтверждены расчетами. Основные положения выносимые на защиту: ? методика статической оптимизации распределения масс в КЭУ внутри-заводского электротранспорта, включающей в себя тяговую аккумуляторную батарею (ТАБ) и емкостной накопитель энергии (ЕНЭ); ? результаты аналитических и расчетных исследований КЭУ ВЗЭТ в составе ТАБ и ЕНЭ. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что: ? предложена методика статической оптимизации распределения масс ТАБ и ЕНЭ в составе комбинированной бортовой энергоустановки с учетом их разрядных и вольт-амперных характеристик. Практическая значимость: проведенные исследования потребительских и эксплуатационных свойств ВЗЭТ с КЭУ в составе ТАБ и ЕНЭ, подтвердили целесообразность его разработки, как удовлетворяющего основным эксплуатационным характеристикам внутризаводских транспортных средств. Публикации. Список научных трудов по диссертационной работе составляет 2 наименования в сбонике ИТАП 2020,1 научно-технический отчет по НИР. Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, выделены положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы. В первой главе проведен анализ современного состояния и тенденций развития внутризаводского электротранспорта, сформулированы цель и задачи, решаемые в диссертационной работе. Во второй главе для решения задачи повышения энергоэффективности тяговой системы ВЗЭТ был сформулированы критерий оптимальности, ограничения и управляющие параметры при оптимизации тяговой системы. Ограничениями при решении задачи оптимизации выступают тип тяговой системы, тип накопителей в составе КЭУ и ездовой цикл ВЗЭТ, определяющий класс электротранспортного средства. Критерием оптимальности при оптимизации тяговой системы выбираем запас хода ВЗЭТ за один полный разрядный цикл бортовой энергоустановки. Это позволяет учитывать изменения параметров накопителей в составе КЭУ в процессе их разряда. Особенно сильно от степени разряженности зависят характеристики ТАБ, их изменения невозможно отследить на протяжении одного ездового цикла. Количество рекуперируемой емкостным накопителем энергии также изменяется в процессе разряда бортовой энергоустановки. В качестве управляющих параметров были выбраны распределение масс накопителей выбранного типа в составе КЭУ. Оптимизация проводилась численным анализом с помощью математической модели, аналитически описывающей изменения вольт-амперных характеристик накопителей энергии аппроксимирующими выражениями, учитывающими влияние степени их заряженности и величин разрядных токов. Эта математическая модель должна обеспечивать: – моделирование бортовых накопителей энергии с различными вариациями составляющих величин токов и напряжений; – учет рекуперации энергии при торможении и движении под уклон ВЗЭТ; – учет совместной работы ТАБ и ЕНЭ в составе КЭУ ВЗЭТ; – имитацию различных режимов движения ВЗЭТ. Третья глава посвящена разработке обобщенной математической модели, включающей в себя математические модели тяговой системы и режимов движения ВЗЭТ. В ней приведены уточненные аналитические зависимости моделей бортовых накопителей энергии в обобщенной модели, проведены теоретические и практические расчеты основных элементов КЭУ ВЗЭТ, включающей в себя ТАБ и ЕНЭ. Для методической полноты и не претендуя на научную новизну рассмотрены аналитические описания системы тягового электропривода и различных режимов движения ВЗЭТ. Четвертая глава посвящена статической оптимизации распределения масс ТАБ и ЕНЭ в составе КЭУ и суммарных потерь в тяговой системе с учетом оговоренных во второй главе критериев и ограничений. На основе многовариантных исследований получена зависимость запаса хода внутризаводского электротранспорта от процентного соотношения масс ТАБ и ЕНЭ выбранных типов в составе КЭУ при неизменной ее полной массе. В заключении представлены основные результаты диссертационной работы и рассмотрены возможные области их использования.