Городской экологический чистый автобус с комплектом тягового электрооборудования (КТЭО)

Рис.2.3. Последовательная схема

Параллельная схема (рис.2.4. и рис.2.5.) обеспечивает передачу энергии на колеса как от источника механической энергии (ДВС), так и - параллельно - от электродвигателя. При этом, накопитель энергии работает так же, как в последовательной схеме[19]. Электродвигатель компенсирует неравномерности работы ДВС и недостатки момента, обеспечивая плавность хода и экономию топлива за счет энергии накопителя, полученную при рекуперативном торможении. При малых оборотах возможно движение транспортного средства только от электродвигателя, с включением в работу ДВС при наборе достаточной скорости движения. Схема имеет относительно высокий КПД и хорошие массогабаритные показатели (применяется электрооборудование только на часть полной мощности).



Рис.2.4. Принципиальная схема параллельной ГСУ

Недостатком схемы является сложность механического согласования работы ДВС и электропривода, ограничения в компоновке, необходимость применения устройств механического согласования (коробок передач специальной конструкции). Правда, от согласования работы ДВС и электропривода можно уйти, обеспечив передачу ими момента на разные оси (колеса), однако, такой прием не всегда приемлем по условиям размещения тягового оборудования и баланса масс транспортного средства. Также существенным недостатком схемы является нестабильность работы ДВС, соответственно ухудшение показателей выбросов по сравнению с последовательной схемой. Применение параллельной схемы оправдано для транспортных средств, работающих на маршрутах со средней и более низкой интенсивностью движения (по сравнению с последовательной схемой) для обеспечения экономии топлива при торможениях, спусках, поворотах и т.п.



Рис. 2.5. Схема параллельного привода автобуса

Последовательно-параллельная схема (Комбинированная схема «Split») (Рис.2.6. и рис.2.7.) сочетает в себе преимущества последовательной и параллельной схем за счет специального устройства согласования работы ДВС и электродвигателя (например, несимметричный планетарный дифференциал). Устройство согласования позволяет перераспределять потоки мощности между двумя источниками энергии (тепловой двигатель и электрический накопитель) и двумя каналами передачи энергии на колеса (механическим и электромеханическим) и передавать мощность между ними в любом направлении. В такой схеме возможна как работа от одного источника энергии (ДВС или накопитель электроэнергии), так и от двух сразу (ДВС и накопитель), а вращение передается на колеса как механическим, так и электрическим двигателем, либо только одним из них (любым) [17].



Рис.2.6. Принципиальная схема последовательно-параллельной ГСУ

Такая схема обеспечивает высокую экономичность работы, максимальную гибкость в режимах работы системы тягового привода, но является довольно сложной в разработке и реализации, требует создания сложных и дорогих механических элементов.

Рис.2.7. Последовательно-параллельная система.

2.2 Анализ составных частей КТЭО

Комплект тягового электрооборудования последовательного гибридного автобуса состоит из следующих основных частей:

- тяговый асинхронный генератор (мотор - генератор) (М-Г);

- тяговый асинхронный двигатель (ТАД);

- силовые преобразователи (СП) с микропроцессорной системой управления (СП) для АМ-Г и ТАД;

- накопитель на основе электрохимических конденсаторов (ЭК)

- контроллер верхнего уровня (КВУ) для управления потоками мощности и тягой с органами управления и отображения информации в кабине водителя.

Расположение составных частей КТЭО показан на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Компоновка КТЭО на автобусе ЛиАЗ 5292.

Рассмотрим составные части ГСУ последовательного гибридного автобуса.

- Асинхронный тяговый двигатель ТАД225-380-750 и мотор- генератор ТАГ225-280-450 на сегодняшний день характеризуются уникальными эксплуатационными качествами, большим сроком службы, простотой в обслуживании и ремонте. Также отсутствие подвижных электрических контактов обуславливает их высокую надежность[14].

Характеристики асинхронного тягового двигателя ТАД225-380-750 и мотора генератора ТАГ225-280-450 указанны в таблице 1.3.

- Модуль 3-фазного инвертора SEMIKRON предназначена для работы в составе энергетической установки, она содержит конвертор и инвертор на интеллектуальных силовых модулях SKiiP2403GB172 с транзисторами Trench IGBT (2400 А, 1700 В), установленных на теплоотвод с жидкостным охлаждением, а также блок конденсаторов (последовательно) емкостью 3300 мкФ. Уникальная конструкция модуля SKAI, специально разработанного для применения в системе тягового привода на автотранспорте, имеет лучшее соотношение цена / качество и позволяет строить преобразователь с возможностью изменения направления передачи мощности - возбуждение асинхронного генератора. Управление генератором в режиме двигателя при пуске дизеля и при торможении автобуса. Управление тягой асинхронного двигателя и его генераторным режимом при торможении автобуса.

Модуль может использоваться как с асинхронным генератором с фазным ротором, так и с синхронным генератором мощностью до 1 МВт. Многослойные шины необходимы для распределения энергетических потоков между силовыми компонентами мощных преобразовательных устройств. Они предназначены, прежде всего, для использования в импульсных схемах с высокими значениями коммутируемых токов и напряжений и большими скоростями их изменения[17,24,31].

Диапазон токов электронных устройств, при которых целесообразно применение многослойных шин, составляет 25-2500 А [3]. Основными требованиями, предъявляемыми к шинам, являются минимальные значения распределенных индуктивностей и сопротивлений проводников и большая допустимая плотность тока в сочетании с высоким напряжением изоляции слоев шины.

Современная многослойная шина представляет собой прессованную плоскую конструкцию, состоящую из медных пластин, изолированных друг от друга тонким слоем диэлектрика.

Будучи симметричной параллельной конструкцией, шина обеспечивает согласованную высокую проводимость слоев, согласованное значение распределенной емкости и низкую паразитную индуктивность. Шина общего провода может также выполнять функции экрана.

Все это гарантирует минимальный уровень радиопомех, помех, излучаемых в сеть, и высокую электромагнитную совместимость изделия. Кроме того, применение плоских шин позволяет создать компактную легкую конструкцию и обеспечить хорошие тепловые характеристики.

- Электрохимические конденсаторы представляет собой молекулярный накопитель энергии (накопитель энергии), накопление заряда в котором осуществляется в двойном электрическом слое в объеме сверхпористого углерода. Металлический корпус ЭК состоит из обечайки и крышек, сваренных друг с другом аргонодуговой сваркой. Токовыводы располагаются на торцевых сторонах цилиндра (по центру крышек). Внутри корпуса находятся блоки накопительных элементов, представляющих собой многослойную тонкопленочную конструкцию, состоящую из пористых углеродных электродов, сепаратора и токосъемных пластин. Полости (свободные объемы) между корпусом и блоками накопительных элементов заполнены эпоксидным компаундом. Электроконденсаторы обладают следующими преимуществами:

- наивысшая удельная весовая и объемная мощность;

- устойчивость к значительным перегрузкам по напряжению и перезаряду без выхода из строя и безопасность в эксплуатации;

- низкий уровень саморазряда;

- широкий диапазон рабочих температур, необслуживаемость при эксплуатации;

- высокая надежность изделий, подтвержденная многолетними стендовыми испытаниями и эксплуатацией у потребителей.

ЭК запасается и используется электростатическая энергия, а также энергия электрохимических процессов. Как правило, в качестве электродов в таких устройствах применяются углеродные материалы с большой поверхностью (активированные угли), а в качестве электролитов -- водные или органические растворы. Основным преимуществом ЭК является то, что они могут очень быстро накапливать и отдавать более высокую энергию, чем традиционные конденсаторы. По сравнению с аккумуляторами, ЭК имеют больший ресурс, не требуют технического обслуживания, хорошо работают в условиях экстремальных температур и имеют меньшую цену номинальной мощности. Использование ЭК позволяет решить ряд задач, которые не могут быть решены с помощью традиционных источников тока.

Важнейший параметр накопителя в составе гибридной силовой установки циклический ресурс. Специфика движения городского автобуса с частыми остановками, торможениями и ускорениями требует от накопителя большое количество зарядно-разрядных циклов. Число их в зависимости от интенсивности движения составляет 500...1000 циклов в сутки, а за 10 лет эксплуатации -- более 1 млн. циклов. Технические характеристики конденсаторов Maxwell показаны в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Технические характеристики конденсаторов Maxwell

Рабочее напряжение, В	125
Максимальное напряжение, В	135
Емкость, Ф	63
Внутреннее сопротивление, мОм	18
Габаритный объем, л	99,1
Масса, кг	58
Удельная энергия, Вт·ч/кг (Вт·ч/л)	2,4 (1,4)
Удельная максимальная мощность, кВт/кг (кВт/л)	3,7 (2,2)
Рабочая температура, "С	-40...65
Ресурс, циклы	1 000 000
Система охлаждения	Воздушная принудительная
Система выравнивания напряжения элементов	Требуется

- Управление потоками мощности является функцией КВУ, он же осуществляет управление движением, включая логическую обработку входных сигналов кабины водителя, датчиков, измерение аналоговых сигналов, управление режимами движения автобуса, а также обработку и фиксацию аварийных ситуаций. КВУ имеет четыре независимых CAN-интерфейса передачи данных, широко применяемого в автомобильной промышленности. Два из CAN-интерфейсов работают по протоколу CAN Open и осуществляют связь с контроллерами мотор-генератора, тягового двигателя, накопителя и табло водителя со скоростью 1 Мбит/с. По ним КВУ получает всю необходимую информацию и осуществляет управление элементами электрической трансмиссии[28]. Третий канал CAN работает по протоколу SAE J1939 со скоростью 250 Кбит/с. Контроллер верхнего уровня включен в общую сеть J1939 автобуса и имеет возможность получать всю информацию о состоянии ДВС, контроллеров ABS и ASR. По данному каналу связи КВУ посылает задание частоты вращения ДВС. Контроль над основными параметрами и аварийными ситуациями ДВС возложен на КВУ. Если один из параметров вышел за допустимые границы или произошла аварийная ситуация, то КВУ выдает предупреждающее сообщение на табло водителя. КВУ ведет запись в энергозависимую память состояния всех органов управления, исполнительных устройств, а также уставок ПО управления через определенные, относительно небольшие моменты времени. На пункте технического обслуживания инженеры могут увидеть всю последовательность действий водителя при работе. При возникновении аварийной ситуации в контроллерах МГ и ТАД осуществляется запись соответствующего аварийного лога во внутреннюю память этих контроллеров. Впоследствии информация о развитии аварийной ситуации по каналу CAN считывается и записывается в КВУ с кодом этой ситуации. КВУ также записывает свой лог, предшествующий аварийной ситуации. Это позволяет иметь полную картину состояний всех устройств электрической трансмиссии за несколько секунд до аварии и выявить причину неисправности.

Применение вышеперечисленных компонентов КТЭО в последовательной схеме позволяет:

- снижение в 10 раз уровня выбросов при езде в городском цикле (Евро-5);

- работа в оптимальных по топливной эффективности режимах работы ДВС;

- экономия топлива на 25--50%;

- возможности пуска ДВС от накопителей без стартера;

- возможность генерации и рекуперации электроэнергии;

- снижение мощности ДВС на 25--30% при сохранении тягового момента на колесах;

- повышение комфортабельности (шум, вибрация, управляемость);

- повышение надежности и ресурса работы.

- наиболее комфортный проезд (более плавные старт и торможение), т.к. отсутствует прерывание потока мощности от энергоустановки до ведущих колес.

Гибридная силовая установка параллельного гибридного автобуса состоит из следующих частей:

- Гидротрансформатор с электродвигателем

- Асинхронный двигатель /генератор

- Преобразователь

- Накопитель энергии (конденсатор)

Рассмотрим составные части ГСУ параллельного гибридного автобуса по отдельности.

Гидромеханическая коробку переключения передач (ГМП) DIWA разработана специально для автобусов и обладает следующими преимуществами:

· Переключение передач происходит в зависимости от топографии местности и ускорения автобуса, что приводит к экономии топлива.

· Выбор до 4 программ переключений предлагаемых помимо стандартной адаптации к дорожным условиям.

· Запатентованное программное обеспечение постоянно отслеживает состояние трансмиссии.

· Превосходная концепция охлаждения, даже для повышенных температурных режимов двигателей EURO 4/5 и EEV.

· Интервалы замены масла до 180 000 км

· Запись всех рабочих данных для последующей оптимизации работы, обслуживания и ремонта ГМП.

Гидромеханическая передача с электродвигателем. Конструкция ГМП «Voith» DIWA (гидротрансформатор в центре) позволяет присоединять электродвигатель непосредственно к входному узлу. При этом, все передачи ГМП (включая гидротрансформатор) могут использоваться как дизельным двигателем, так и электродвигателем.

Распределение потоков мощности при работе автоматической коробки передач (ГМП) с электродвигателем показан на рисунке -2.9.



Рис. 2.9. Распределение потоков мощности при работе автоматической коробки передач (ГМП) с электродвигателем.

Асинхронный двигатель-генератор на сегодняшний день характеризуются уникальными эксплуатационными качествами, большим сроком службы, простотой в обслуживании и ремонте. Также отсутствие подвижных электрических контактов обуславливает их высокую надежность[21]. Общий вид асинхронного двигателя генератора с гидромеханической передачей показан на рис.2.10.

Рис.2.10. Общий вид асинхронного двигателя генератора с гидромеханической передачей.

Технические характеристики асинхронного двигателя генератора показаны в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Характеристика асинхронного двигателя генератора.

Мощность, кВт	85 - длительная 150 - кратковременная
Крутящий момент, Н·м	220- длительный 520- кратковременный
Максимальная частота вращения	9000 об/мин
Используемая частота вращения	6600 об/мин

В гибридных силовых установках применяются электрические двигатели (мотор-генераторы), для работы которых требуется трёхфазный переменный ток, но любые накопители способны хранить и отдавать только постоянный ток. При этом напряжение тока, необходимого для работы электрического двигателя может не совпадать с напряжением накопителя. Кроме того, в зависимости от режима движения, ток от генератора может поступать на аккумуляторную батарею или, наоборот - от аккумуляторной батареи к электродвигателю.

Во время работы электродвигателя в режиме генератора инвертор преобразовывает поступающий трёхфазный переменный ток в постоянный с напряжением, необходимым для зарядки высоковольтного накопителя. А в период работы мотор-генератора в качестве тягового двигателя, инвертор, наоборот, преобразует постоянный ток высоковольтного накопителя в переменный трёхфазный ток, необходимый для работы электродвигателя[34]. В качестве накопителей энергии применяются электроконденсаторы фирмы Maxwell. Данные электроконденсаторы отличается особенно высокой величиной плотности рассеиваемой мощности, объемом сохраняемой энергии, надежностью и повышенной эффективностью. Отсутствие массопереноса и необходимости в сервисном обслуживании -- еще два фактора, которые позволяют говорить об экономической эффективности суперконденсаторов. С точки зрения весового баланса, решение с использованием суперконденсаторов превосходит вариант с аккумуляторными батареями, поскольку низкопольный автобус с суперконденсаторами, которому не требуются более тяжелые батарейные блоки, практически сравнивается по массе с городскими автобусами на природном газе. Не менее важен и тот факт, что улучшенная система воздушного охлаждения обеспечивает в среднем такой же эксплуатационный ресурс суперконденсаторов, как и срок службы серийных автобусов (в отличие от аккумуляторных батарей любого существующего типа). Общий вид преобразователя с электроконденсаторами показан на рис.2.11.

Рис.2.11. Общий вид преобразователя с электроконденсаторами

Технические характеристики конденсаторов Maxwell показаны в таблице 2.3.

Таблица 2.3. Технические характеристики конденсаторов Maxwell

Рабочее напряжение, В	125
Максимальное напряжение, В	135
Емкость, Ф	63
Внутреннее сопротивление, мОм	18
Габаритный объем, л	99,1
Масса, кг	58
Удельная энергия, Вт·ч/кг (Вт·ч/л)	2,4 (1,4)
Удельная максимальная мощность, кВт/кг (кВт/л)	3,7 (2,2)
Рабочая температура, "С	-40...65
Ресурс, циклы	1 000 000
Система охлаждения	Воздушная принудительная
Система выравнивания напряжения элементов	Требуется

Расположение составных частей параллельного гибридного автобуса показан на рис.2.12.

Рис.2.12. Расположение составных частей ГСУ на автобусе НЕФАЗ 5299

Применение параллельного КТЭО:

· Снижает вредные выбросы в городском цикле в несколько раз

· Экономит топливо на 25-30%

· Позволяет использовать в тандеме двигатель внутреннего сгорания гораздо меньшей мощности.

· Повышается уровень комфорта, снижаются шум и вибрация

· Машина в целом вписывается в экологический стандарт Eвро 5.

2.3 Теоретический расчет определения технических требований к компонентам гибридной силовой установки городского автобуса

Обоснование применения конденсаторов в составе большого городского автобуса (18 т) с гибридным приводом потребовало определение технических требований к основным компонентам гибридной силовой установки:

- накопителю энергии

- ДВС

- электродвигателю

Принципиальным является выбор компромиссного варианта между размером накопителя и мощностью ДВС. Применение мощного ДВС не позволит получить наилучшие показатели по экономичности и экологической составляющей, слишком малая мощность ДВС ограничит возможности транспорта

Для рабочего цикла движения для городского транспорта разгон/выбег/торможение/стоянка, при условии движения транспортного средства по замкнутому маршруту энергия, необходимая для разгона транспортного средства включает только кинетическую энергию разгона с учетом потерь:

Е₁ = m * V₁²/(2К_И) (2.1.)

Доступная для рекуперации энергия составит:

Е₂ = К_И * m * V₁²/2 (2.2.)

m - масса транспорта,

К_И - суммарный коэффициент, учитывающий все потери при движении транспорта

V₁ - скорость транспорта после разгона и V₂ - скорость транспорта после выбега.

Эффективность рекуперации можно представить как отношение энергии рекуперации к энергии, необходимой на разгон транспортного средства:

EF = Е₂/ Е₁ (2.3.)

Для рабочего цикла движения городского транспорта, эффективность рекуперации при наличии накопителя можно представить в виде формулы:

EF = ц * з * К_И² * V₂²/V₁² (2.4.)

з - КПД работы накопителя в цикле заряд-разряд,

ц - КПД работы DC/DC преобразователя.

Учитывая, что в рассматриваемом цикле движения энергопотребление необходимо только на разгон транспортного средства, получаем:

Е_уд* m * S = m * V₁²/(2K_И), откуда К_И = V₁²/(2Е_уд * S) (2.5.)

Е_уд - удельное энергопотребление транспорта,

S - длина маршрута в цикле.

Опыт эксплуатации автобусов по городскому маршруту (S ~350 м, V₁~ 45 км/ч, время разгона 20-25 с, время цикла ~ 60 с) дает величину

Е_уд = 85-100 Втч/(т*км).

Подставляя соответствующие величины в выражение (5) получим:

К_И = 0,65.

Как правило, для автобусов V₂/V₁ = 0,85

Принимая ц = 0,95 и з = 0,8, эффективность рекуперации, равна:

EF = ц * з * К_И² * V₂²/ V₁² = 0,95 * 0,8 * 0,65² * 0,85² = 0,23

Расчетная энергия, необходимая для разгона автобуса с массой 18 т до скорости 55 км/ч, составит m * V₁²/(2K_И) =18000 * 15,3²/(2 * 0,65) = 3,24 МДж.

При эффективности рекуперации EF = 0,23 энергия, которая может быть сэкономлена в каждом рабочем цикле составит 0,75 МДж.

Необходимая энергия для осуществления цикла с учетом рекуперации составит: 3,24 МДж - 0,75 МДж = 2,5 МДж.

Эту энергию ДВС должен поставлять на тягу за один цикл длительностью 60 с, значит средняя мощность ДВС в цикле должна быть равной 2,5 МДж/60 с = 42 кВт.

Средняя мощность электродвигателя на разгоне для обеспечения времени разгона 25 с должна составлять не менее 3,24 МДж/25 с = 130 кВт.

При мощности ДВС, затрачиваемой на тягу, 42 кВт получаем среднюю мощность накопителя для обеспечения разгона автобуса: 130 кВт - 42 кВт = 88 кВт.

Для того чтобы конденсатор мог поддерживать разгон автобуса в течение всего необходимого времени, отдаваемая энергия накопителя при разряде должна составлять не менее 25 с * 88 кВт = 2,2 МДж.

При торможении накопитель может получить лишь 0,75 МДж. Необходимую энергию 2,2 МДж конденсатор может накапливать также в момент выбега и стоянки автобуса от ДВС. Как отмечено выше средняя мощность ДВС в цикле составляет 42 кВт.

С учетом постоянного расхода энергии на собственные нужды достаточная мощность ДВС составит 50-55 кВт.

Оптимальная работа ДВС с минимальным расходом топлива может быть достигнута при работе в диапазоне 75-90 % максимальной мощности.

Мощность ДВС автобуса, работающего в оптимальном режиме должна лежать в пределах 55-70 кВт.

Таким образом, установленная мощность ДВС может быть снижена по сравнению с традиционным автобусом в 2-3 раза.

За сутки городской автобус совершает не менее 400 рабочих циклов, поэтому за 10 лет ресурс накопителя должен быть не менее 1 млн. циклов. Нормативный срок службы городского автобуса составляет в среднем 10 лет. Технические требования для компонентов гибридной силовой установки в составе городского автобуса массой 18 тонн указан в таблице 2.4.

Таблица 2.4. Технические требования для компонентов гибридной силовой установки в составе городского автобуса (18 т)

Установленная мощность ДВС, кВт	55-70
Номинальная мощность электродвигателя, кВт	120-140
Максимальная мощность электродвигателя, кВт	180-220
Номинальная мощность накопителя, кВт	90
Энергия накопителя при номинальной мощности, МДж	Более 2,2

Вывод по главе 2

В данном разделе описаны устройства составных частей комплекта тягового электрооборудования, схемы работ гибридных силовых установок, их принцип работы, преимущества и недостатки. Был произведен теоретический расчет технических требований к компонентам гибридной силовой установки городского автобуса, по результатам которого были определены технические требования для составных частей.

На сегодняшний день у эксплуатируемых гибридных автомобилей существует три схемы, описанные в данном разделе. Параллельная и последовательные схемы используются более чаще, чем параллельно-последовательная схема «SPLIT», так как оснащение автобусов данной системой пока что является слишком дорогостоящей и не оправдывает вложенных финансовых затрат.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРОДСКОГО АВТОБУС С КОМПЛЕКТОМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СХЕМОЙ

3.1 Объект испытаний

Городской автобус с комплектом тягового электрооборудования с последовательной и параллельной схемой. Комплект тягового электрооборудования городской автобус с последовательной схемой состоит из следующих частей:

- Тяговый асинхронный генератор (мотор - генератор) (М-Г);

- Тяговый асинхронный двигатель (ТАД);

- Силовые преобразователи (СП) с микропроцессорной системой управления (СП) для М-Г и ТАД;

- Накопитель на основе электрохимических конденсаторов

- Контроллер верхнего уровня (КВУ) для управления потоками мощности и тягой с органами управления и отображения информации в кабине водителя.

В таблице 3.1. Приведены технические характеристики основных частей комплекта тягового электрооборудования последовательной схемы.

Таблица 3.1. Техническая характеристика комплекта тягового электрооборудования последовательной схемы.

Мотор-генератор (М-Г)	Мощность на выходе генератора, кВт	132,5
	Максимальная скорость вращения вала АМ-Г, об/мин	2300
Тяговый асинхронный двигатель (ТАД)	Максимальная мощность на валу ТАД, кВт	132,5
	Номинальная длительная мощность на валу ТАД, кВт	125
	Максимальный пусковой момент на валу ТАД, Нм	При i=9,82; 1500
	Максимальная скорость вращения вала ТАД, об/мин	При скорости автобуса 90 км/час; 4975
	Максимальный длительный момент на валу ТАД, Нм	При i=9,82; 1000
Накопители (ЭК) (6 шт.)	Емкость, Ф, не менее	10,5
	Напряжение, В	400-800
	Энергоемкость, Вт.ч., не менее	610
	Ток разряда, А	150
	Максимальный ток разряда, А	750
	Масса, кг	58

Комплект тягового электрооборудования городского автобуса с параллельной схемой состоит из следующих частей:

- Гидротрансформатор с электродвигателем

- Асинхронный двигатель /генератор

- Преобразователь

- Накопитель энергии на основе электрохимических конденсаторов

В таблице 3.2. Приведены технические характеристики основных частей комплекта тягового электрооборудования параллельной схемы.

Таблица 3.2. Технические характеристики основных частей комплекта тягового электрооборудования параллельной схемы.

Гидромеханическая КПП	Число передач	6
	Количество программных режимов	4
Асинхронный электродвигатель	Мощность, кВт	85 - длительная 150 - кратковременная
	Крутящий момент, Н·м	220- длительный 520- кратковременный
	Максимальная частота вращения	9000 об/мин
	Используемая частота вращения	6600 об/мин
Накопители (ЭК) (5 шт.)	Рабочее напряжение, В	125
	Максимальное напряжение, В	135
	Емкость, Ф	63
	Внутреннее сопротивление, мОм	18
	Габаритный объем, л	99,1
	Масса, кг	58
	Удельная энергия, Вт·ч/кг (Вт·ч/л)	2,4 (1,4)
	Удельная максимальная мощность, кВт/кг (кВт/л)	3,7 (2,2)
	Рабочая температура, "С	-40...65
	Ресурс, циклы	1 000 000
	Система охлаждения	Воздушная принудительная

Для проведения испытаний были подобранны гибридные городские автобусы Российского производства последовательной и параллельной схемой комплекта тягового электрооборудования.

С последовательной схемой был подобран гибридный городской автобус ЛиАЗ-5292. Автобуса ЛиАЗ-5292 показан на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Общий вид городского автобуса ЛиАЗ-5292

С параллельной схемой был подобран гибридный городской автобус НЕФАЗ-5299Н. Общий вид автобуса НЕФАЗ-5299Н показан на рис.3.2. и рис.3.3

Рис 3.2. Общий вид автобуса НЕФАЗ-5299Н

Рис.3.3. Общий вид городского автобуса НЕФАЗ-5299Н

Технические характеристики автобусов с последовательной и параллельной схемой показаны в таблице 3.3

Таблица 3.3. Технические характеристики автобусов с последовательной и параллельной схемой.

Тип /модель	Последовательный гибрид/ЛиАЗ 5292	Параллельный гибрид/НЕФАЗ 5299H
Двигатель	Cummins ISBe4 185	Cummins 6ISBe 5
Номинальная мощность ДВС	136 кВт /185 л.с.	184кВт/250л.с
Экологический класс	Евро 5	Евро 5
Назначение, тип	Городской, низкопольный, большого класса (12 м)	Городской, полунизкопольный, большого класса (12 м)
Вместимость человек	106	100
Полная масса	19700кг	18600 кг

3.2 Методика проведения испытаний

Испытание автобусов будет производиться на треке с асфальта бетонным покрытием.

Состояние дорожного покрытия - бывший аэродром

Длина трека -2540 м.

Максимальный уклон -1,2 %

Высота над уровнем моря- 474 м

Средняя скорость автобусов -18 км/ч

Количество остановок на 2540 метров пути -7

Время стоянки на каждой остановке -1 мин.

Испытания будут производиться в цикле городского движения с интервалами между остановок каждые 362 метров. Вид испытательного полигона показан на рис.3.4.



Рис.3.4. Общий вид испытательного полигона в городе Лаупхайм

При проведении испытания будут производиться следующие замеры:

· Замер потраченной энергии на преодоление дистанции 2540 метров.

· Замер расхода топлива при преодолении дистанции на 2540 метров.

· Расчет выброса загрязняющих веществ при сжигании топлива на 1 км пути.

3.3 Полученные результаты при проведении испытаний

Испытание автобусов производилось со стороны Научно- исследовательского института комбинированных энергоустановок и ООО "Фойт Турбо Казань". Испытания проводились в городе Лаупхайм в Германии.

По результатам испытания городского автобуса с последовательной схемой были получены следующие результаты.

Энергия затраченная последовательным гибридным автобусом ЛиАЗ 5292 на преодоление дистанции 2540 метров с 7 остановками - 2,62 кВт/ч

Израсходованное топливо на преодолении дистанции 2540 метров с 7 остановками -0.70 л.

Выброс загрязняющих веществ на 1км пути

Окись углерода (СО) -0,430 г/км

Окислы азота (NOx)- 0,170 г/км

Выброс сажистых частиц (PM)-0,004 г/км

По результатам испытания городского автобуса НЕФАЗ-5299Н с параллельной схемой были получены следующие результаты.

Энергия затраченная параллельным гибридным автобусом НЕФАЗ-5299Н на дистанции 2540 метров с 7 остановками - 3,59 кВт/ч

Израсходованное топливо на преодолении дистанции 2540 метров с 7 остановками -0.82л. Выброс загрязняющих веществ на 1км пути.

Окись углерода (СО) -0,450 г/км

Окислы азота (NOx)- 0,175 г/км

Выброс сажистых частиц (PM)-0,005 г/км.

По результатам испытаний было установлено, что оба автобуса продемонстрировали уровень выбросов не превышающих экологических стандартов Евро 5. Требования по экологическим требования евро указанны в рис.19.

Рис. Нормативы экологических стандартов Евро.

По результатам полученных данных произведем сравнительный анализ автобусов с параллельной и последовательной схемой. Учитывая то что средний пробег городского автобуса за 1 день в пределах 300 километров произведем сравнительный анализ для автобусов. Сравнительные показатели указаны в таблице 3.4.

Таблица 3.4. Сравнительные показатели автобусов.

Показатели	Последовательный гибрид / ЛиАЗ 5292 при пробеге 300 км	Параллельный гибрид / НЕФАЗ 5299H при пробеге 300 км	Эффективность последовательной схемы по сравнению с параллельной.
Затрачиваемая энергия	314 кВт	430 кВт	116 кВт
Расход топлива	84 л.	98,4 л.	14,4 л.
Окись углерода	129 г.	135 г.	6 г.
Окислы азота	51г.	52 г.	1 г.
Сажистые частицы	1,2 г.	1,5 г.	0,3 г.

Основываясь на результаты экспериментального исследования, было установлено, что для городского цикла движения наиболее оптимальна последовательная схема компоновки комплекта тягового электрооборудования которая по эффективности превосходит аналогичную параллельную схему.

Вывод по главе 3

В данной главе проведено экспериментальное исследование автобусов последовательной и параллельной схемой комплекта тягового электрооборудования. При проведении испытаний были произведены замеры по расходу топлива, уровня выбросов вредных веществ а также затрачиваемой энергии комплекта тягового электрооборудования. По результатам полученных данных было установлено, что для городского цикла движения наиболее оптимальна последовательная схема компоновки комплекта тягового электрооборудования, которая по эффективности превосходит аналогичную параллельную схему.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Изучены история развития и современное состояние гибридных автобусов.

2. Произведен обзор существующих экологических чистых гибридных городских автобусов, а также изучен опыт зарубежных стран в развитии гибридизации городских автобусов.

3. Произведен анализ конструктивных особенностей городских автобусов с гибридно-силовыми установками;

4. Изучены устройства составных частей комплектов тягового электрооборудования городских автобусов;

5. Проанализированы принципы работы, преимущества и недостатки современных систем комплекта тягового электрооборудования ;

6. Произведен теоретический расчет по определению технических требований к компонентам гибридной силовой установки городского автобуса, по результатам которого были определены технические требования для составных частей;

7. Произведены экспериментальные исследования по определению наиболее оптимальной схемы комплекта тягового электрооборудования для городского цикла движения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Законы Республики Узбекистан

1. Закон Республики Узбекистан «Об охране атмосферного воздуха». 27 марта 2001 г.

2. Закон Республики Узбекистан «Об автомобильном транспорте». 29 августа 1998 г.

3. Закон Республики Узбекистан «О рациональном использовании энергии». 25 апреля 1997 г.

Указы и постановления Президента Республики Узбекистан, Постановления Кабинета Министров

1. Постановление Президента Республики Узбекистан о Государственной программе «Год благополучия и процветания». 14 февраля 2013 г.

2. Постановление Кабинета Министров Республики Узбекистан №281 «О мерах по обновлению парка подвижного состава городского пассажирского электрического транспорта ». 28 октября 2010 г.

Произведения Президента Республики Узбекистан Ислама Каримова

1. Доклад Президента Республики Узбекистан Ислама Каримова на заседании Кабинета Министров, посвященном итогам социально-экономического развития страны в 2012 году и важнейшим приоритетным направлениям экономической программы на 2013 год. 18 января 2013 г.

2. Доклад Президента Ислама Каримова на торжественном собрании, посвященном 20-летию Конституции Республики Узбекистан. 07 декабря 2012 г.

3. Выступление Президента Республики Узбекистан Ислама Каримова на открытии международной конференции «Подготовка образованного и интеллектуально развитого поколения - как важнейшее условие устойчивого развития и модернизации страны». 17 февраля 2012 г.

4. Каримов И.А. Узбекистан на пороге достижения независимости. - Ташкент: Узбекистан, 2011. - 384 с.

Основная литература

1. Кадыров С.М. Автотракторные двигатели - Ташкент: ТБП ООО, 2010.

2. Кадыров С.М. Двигатели внутреннего сгорания - Ташкент: Yoshlar matbuoti, 2006.

3. Кадыров С.М., Никитин С.Е, Автомобильные и тракторные двигатели -Т :. Укитувчи, 1990.

4. Златин, П.А. Электромобили и гибридные автомобили / П.А. Златин, В.А. Кеменов, И.П. Ксеневич. М.: Агроконсалт, 2004.

5. Ефремов, И.С. Электрические трансмиссии пневмоколесных транспортных средств / И.С. Ефремов [и др.] М.: Энергия, 1976.

6. Кудин, С.Н. Новый тяговый электропривод карьерных самосвалов БелАЗ / С.Н. Кудин, Н.В. Бигель, А.А. Пехтерев// Автомобильная промышленность. - 2005. - №10.

7. Базаров Б.И. Экологическая безопасность автотранспортных средств - Ташкент: Chinor-ENK, 2012. - 216 с.

8. Иванов, А.М. Основы конструкции автомобиля: учебник для вузов / А.М. Иванов [и др.] М.: За рулем, 2005.

9. Эйдинов, А.А. Электромобили: учебное пособие / А.А.Эйдинов. М.: НАМИ, 1998.

10. Золотницкий В.А. Система питания газобензиновых автомобилей. - М.: Третий Рим, 2001. - 80 с.

11. Виноградов, А.Б. Асинхронные электроприводы для общепромышленных механизмов с оптимизацией энергетических характеристик / А.Б. Виноградов, В.Л. Чистосердов, А.Н. Сибирцев // Тез. докл. XI науч-техн. конф. «Электроприводы переменного тока» (ЭППТ-98). - Екатеринбург: УГТУ, 1998.

12. Виноградов, А.Б. Новые серии высокоэффективных электроприводов переменного тока / А.Б. Виноградов, В.Ф. Глазунов // Труды IV Международной (XI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП 2004, Часть 1. Магнитогорск, 14-17 сентября 2004 г. - С. 243-244.

13. Ryvkin, S. Identification Of The Moment Of Inertia In the Digital Control Drive / S. Ryvkin, D. Izosimov, A. Vinogradov // Proceeding of the 12th International Power Electronics & Motion Control Conference. - Portoroz, Slovenia, 2006, August 30 - September 1. - P. 438-443.

14. Виноградов, А.Б. Синтез оптимальной системы управления вентильно-индукторным двигателем / А.Б. Виноградов // Тр. междунар. 14-й науч.-техн. конф. «Электроприводы переменного тока» (ЭППТ 2007). Екатеринбург, 13-16 марта 2007 г. - С. 105-108.

15. Богданов, К.Л. Основы тягового электропривода: учеб пособие/ К.Л.Богданов М., 1982.

16. Ахметов Л.А., Иванов В.Н., Ерохов В.И. Экономическая эффективность и эксплуатационные качества газобаллонных автомобилей. - Ташкент: Узбекистан, 1984. - 191 с.

17. Виноградов, А.Б. Новые исполнения и функциональные возможности электроприводов серии ЭПВ / А.Б. Виноградов, А.Н. Сибирцев, В.Л. Чистосердов и др. // Труды 5

18. Виноградов, А.Б. Системы управления электроприводами гибридных транспортных средств / А.Б. Виноградов // Сборник материалов науч.

19. Виноградов, А.Б. Станция автономного электроснабжения в составе трактора ЭТ

20. Архангельский, Н.Л. Система векторного управления асинхронным электроприводом с идентификатором состояния / Н.Л. Архангельский, Б.С. Курнышев, А.Б. Виноградов, С.К. Лебедев // Электричество. - 1991. - №11. - С. 47-51.

21. Архангельский, Н.Л. Новые алгоритмы в управлении асинхронным электроприводом / Н.Л. Архангельский, Б.С. Курнышев, А.Б. Виноградов // Электротехника. - 1991. - №10. - С. 9-13.

Дополнительная литература

1. Ютт М.В. Моделирование автомобиля с комбинированной энергетической установкой на базе ГАЗ-2705 / Е.И.Сурин, К.М.Сидоров, М.В.Ютт // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2007. - № 4. - С. 14 - 16.

2. Ютт М.В. Применение системы автоматической регистрации параметров электромобиля при проведении эксперимента

3. / М.В.Ютт, С.С.Шугуров // Электроника и электрооборудование транспорта - 2009. - №5-6. - С.11 - 13.

4. Ютт М.В. Состояние проблемы реализации гибридных силовых установок на автотранспорте / К.М.Сидоров, Т.В.Голубчик,

5. М.В.Ютт // Электроника и электрооборудование транспорта - 2011. - №2-3. - С. 12 - 16.

6. Сидоров К.М. Энергетическая эффективность автомобилей с

7. комбинированными энергетическими установками и ее взаимосвязь

8. условиями движения / К.М. Сидоров // Методы описания и

9. моделирования бизнес-процессов в промышленности, строительстве

10. и образовании: Сб. науч. тр. МАДИ. - М.: МАДИ, 2010. - С 63 - 71.

11. Нгуен Хак Туан. Нагруженность механической трансмиссии автомобиля с гибридными силовыми установками при запуске ДВС с ходу// Сборник науч. конф. «Исследование, разработка и применение высоких техноло-гий в промышленности » - С.-Петербург , 2010. - С.240 - 244.

12. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1976. - 413 с.

13. Экологическая безопасность автомобильного транспорта: Учеб. пособие для высш. и сред. учеб. заведений / В. В. Амбарцумян, В. Б. Носов, В. И. Тагасов, В. И. Сарбаев; Под ред. В. Н. Луканина. -- М.: Научтехлитиздат, 1999. - 208 с.

14. Морозов К.А. Токсичность автомобильных двигателей. - М.: МАДИ (ТУ), 1997. - 84 с.

15. Зотов Л.Л. Экологическая безопасность производства и автомобильного транспорта. - СПб, СЗГТУ, 2003. - 91 с.

16. Лавру В.С. Источники энергии- М.: Наука и техника, 1997- 200с.

17. Гусаков С.В., Патрахальцев Н.Н. Планирование, проведение и обработка данных экспериментальных исследований двигателей внутреннего сгорания. - М.: РУДН, 2004. - 167 с.

18. Веденяпин Г.В., Общая методикаэкспериментальных исследования: учеб. пособие. - М.: Колос. 1972.

19. Якунина И.В., Попов Н.С. Методы и приборы испытания. Тамбов.- 2009 год.

20. Закин Я.Х., Рашидов Н.Р., Основы научного исследования. - Т.: Укитувчи, 1979. - 180 с.

Периодические издания, статистические сборники и отчеты

1. А.с. №1552333 СССР, Н02Р 7/42. Электропривод / Н.Л. Архангельский, Б.С. Курнышев, А.Б. Виноградов и др. - Опубл. В Б.И., 1990, №11.

2. А.с. №1674341 СССР, Н02Р 7/42. Электропривод / Н.Л. Архангельский, Б.С. Курнышев, А.Б. Виноградов и др. - Опубл. В Б.И., 1991, №32.

3. А.с. №1686688 СССР, Н02Р 7/42. Электропривод / Н.Л. Архангельский, Б.С. Курнышев, А.Б. Виноградов и др. - Опубл. В Б.И., 1991, №39.

4. А.с. №1727190 СССР, Н02Р 7/42. Электропривод / Н.Л. Архангельский, Б.С. Курнышев, А.Б. Виноградов и др. - Опубл. В Б.И., 1992, №14.

5. Патент РФ №2025889 Способ формирования напряжения на статорных обмотках трехфазного двигателя в регулируемом электроприводе / Н.Л. Архангельский, Б.С. Курнышев, А.Б. Виноградов и др. - Опубл. В Б.И., 1994, №24.

6. Патент РФ №2025889 Тяга в электроприводе / К.К. Арнышов, В.С. Кукин, др. - Опубл. В Б.И., 1994, №24

Интернет сайты

1. http://www.electrosad.ru

2. http://liliyaroenko.blogspot.com/2012/03/blog-post_16.html

7. http://supercap.ru/superkondensatori.html

8. http://voith-turbo-kazan.ru

9. http://www.rae.ru

10. http://www.ruselprom.ru

11. http://www.avtonov.svoi.info

12. http://www.hybrids.su

13. www.drive.ru/technic

14. www.babygreen.ru

15. www.gibra.ru

16. www.biauto.ru

17. www.carshybrid.ru

18. www.electroavtomobil.org

19. www.electromotors.ru

Размещено на Allbest.ru