Енергоефективний електропривід електромобіля з суперконденсаторною батареєю

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – "Електротехнічні комплекси та системи". Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти і науки України, Харків, 2021. Робота пов'язана із створенням лабораторного зразка енергоефективного електропривода електромобіля для учбових і наукових цілей на кафедрі «Автоматизовані електромеханічні системи» в НТУ "ХПІ". За свідченням світових експертів відбувається перехід до електромобільного транспорту з наростаючим темпами. Це обумовлено обмеженістю органічних енергоресурсів та екологічними факторами, особливо у в великих містах, де забрудненість повітря від вихлопних газів автомобілів з двигунами внутрішнього згоряння (ДВЗ) вже досягає критичного рівня. Вищезазначене пояснює той факт, що уряди ряду провідних промислово розвинених країн (Німеччина, США, Китай та ін.) затвердили програми з переходу від ав-томобілів до електромобілів і навіть прийняли закони про заборону випуску автомобілів з ДВЗ вже в найближчій перспективі. Багато провідних закор-донних автомобільних фірм (Ніссан, Мерседес, Тесла, Фольксваген і ін.) вже серійно випускають електромобілі. Для України, яка імпортує більш половини необхідних нафтопродуктів і газу і в той же час має значні ресурси виробництва електроенергії від атомної енергетики у нічний час, перехід від автомобілів до електромобілів має особливе значення. В перспективі Україна, як і зазначені країни, приступить до широкого переходу на електромобільний транспорт. Вже у 2018 році країна посіла перше місце в Європі за темпами зростання кількості електромобілів. Найбільший наукотехнічний вклад у розробку та створення в Україні електротранспортних засобів різного призначення до 2010 року було внесено науковцями інституту електродинаміки НАН України під керівництвом А. К. Шидловского та В. Б. Павлова. Щоб бути готовим до масового переходу до електромобільного транспорту необхідно забезпечити підготовку фахівців, обізнаних у програмуванні, здатних здійснювати діагностику, ремонт, кваліфіковане обслуговування і експлуатацію електромобілів, а у можливій перспективі й прийняти участь у розробці та створенні вітчизняних зразків. Зараз електромобільною тематикою розпочали займатися кафедри ряду провідних ВУЗів, що традиційно готували фахівців з електроприводу. Це викликано з одного боку зменшенням виробництва промислових підприємств традиційних споживачів випускників з автоматизованого електроприводу (ЕП), з другого — доцільністю використання великого досвіду, що накопичений вченими, науковцями та викладачами закладів вищої освіти у дослідженні, розробці, створенні сучасних енергоефективних промислових електроприводів широкого призначення, а також при підготовці фахівців в галузі автоматизованих електромеханічних систем. На кафедрі "Автоматизовані електромеханічні системи" НТУ "ХПІ" у 2011 році було відкрито спеціалізацію "Комп'ютеризовані системи електромобілів", підготовка по якій після затвердження в Україні нового переліку спеціальностей ведеться в рамках спеціалізації "Мехатроніка та робототехніка" спеціальності "Електроенергетика, електротехніка і електромеханіка". Це потребувало створення тягового електропривода електромобіля для учбових і дослідницьких цілей, розробці методик дослідження різноманіття режимів його роботи, та отримання залежностей для розрахунку компонентів ЕП електромобіля. Тому представляється актуальною розробка енергоефективного тягового електропривода електромобіля і дослідження різноманіття режимів його роботи для учбових і дослідницьких цілей, а також вдосконалення методик для розрахунку силових компонентів ЕП з отриманням відповідних розрахункових залежностей. Вдосконалено методику розрахунку та вибору силового обладнання електропривода електромобіля за методом еквівалентування з використанням запропонованого масогабаритного коефіцієнту питомих сил та потужностей. Створено лабораторний стенд для перевірки працездатності розробленої схеми і оцінки енергоефективності при використанні суперконденсаторної батареї та співставленні результатів двома запропонованими модифікованими схеми, які забезпечують зменшення пульсацій напруги та втрат енергії. Побудовано математичну модель електромеханічної системи електромобіля в класичній і структурної формі, а також комп'ютерна модель з використанням пакету Simulink програми Matlab. Виконано комп'ютерне моделювання електромагнітних, електромеханічних і механічних процесів руху електромобіля в динамічних і статичних режимах при різних умовах руху. Досліджено аномальні режими роботи електроприводу електромобіля в умовах буксування коліс і встановлено, що можливими легко вимірювальними координатами встановлення факту буксування можуть бути похідна струму якоря, прискорення колеса і його похідна при наявності сучасного імпульсного датчика швидкості. Зроблено оцінку енергоефективності запропонованих схем електроприводу з суперконденсаторною батареєю для 7-ми міжнародних стандартних циклів руху з урахуванням втрат енергії в компонентах електроприводу. Проведено випробування електромобіля. Підтверджено працездатність розробленої принципової схеми електроприводу і підвищення енергоефективності в залежності від стандартного циклу руху на 13…24% за рахунок рекуперативних режимів при наявності суперконденсаторної батареї. Випробування підтвердили також суттєве зменшення навантаження акумуляторної батареї струмом, що свідчить про покращення теплового режиму. Це сприяє підвищенню її ресурсу і вказує на доцільність досліджень сумісного використання з СКБ літій-іоних та інших батарей, що встановлюються у серійних зарубіжних електромобілях.Thesis for the degree of candidate of technical sciences at the specialty 05.09.03 ―Electrotechnical complexes and systems‖ – National Technical University ―Kharkiv Polytechnic Institute‖, Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2021. The work is related to the creation of a laboratory model of an electric vehicle electric drive for educational and scientific purposes at the Department ―Automated Electromechanical Systems‖ at NTU ―KhPI‖. According to world experts, the transition to electric vehicles is accelerating. This is due to limited organic energy resources and environmental factors, especially in large cities, where air pollution from the exhaust of cars with internal combustion engines (ICE) is already reaching a critical level. The above explains the fact that the governments of a number of leading industrialized countries (Germany, USA, China, etc.) have approved programs for the transition from cars to electric cars and even passed laws banning the production of cars with internal combustion engines in the near future. Many leading foreign automobile companies (Nissan, Mercedes, Tesla, Volkswagen, etc.) are already mass-producing electric cars. For Ukraine, which imports more than half of the required oil and gas and at the same time has significant resources for the production of electricity from nuclear power at night, the transition from cars to electric vehicles is of particular importance. In the future, Ukraine, like these countries, will embark on a broad transition to electric vehicles. Already in 2018, the country took first place in Europe in terms of growth in the number of electric vehicles. The largest scientific and technical contribution to the development and creation in Ukraine of electric vehicles for various purposes until 2010 was made by scientists from the Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine under the leadership of A. K. Shidlovsky and V. B. Pavlov. To be ready for the mass transition to electric vehicles, it is necessary to provide training of experts in programming, capable of diagnosing, repairing, qualified maintenance and operation of electric vehicles, and in the long run to participate in the development and creation of domestic models. Now the departments of a number of leading universities, which have traditionally trained specialists in the electric drive, have started to deal with electric vehicles. This is caused on the one hand by the reduction of industrial production of traditional consumers of graduates of automated electric drive (EP), on the other - the feasibility of using extensive experience gained by scientists, scientists and teachers in higher education in research, development, creation of modern energy efficient industrial electric drives. appointment, as well as in the training of specialists in the field of automated electromechanical systems. At the Department of Automated Electromechanical Systems NTU "KhPI" in 2011 was opened a specialization "Computerized systems of electric vehicles", training which after approval of a new list of specialties in Ukraine is carried out within the specialization "Mechatronics and Robotics" specialty "Power Engineering, Electrical Engineering and electromechanics ". This required the creation of a traction electric drive of the electric car for training and research purposes, the development of methods for studying the variety of modes of its operation, and obtaining dependences for the calculation of the components of the EP of the electric car. Therefore, it is important to develop an energy-efficient traction electric vehicle electric drive and study the variety of modes of its operation for training and research purposes, as well as improving methods for calculating the power components of the EP with the appropriate calculation dependences. The method of calculation and selection of the power equipment of the electric drive of the electric car by the method of equivalence with use of the offered mass-dimensional factor of specific forces and capacities is improved. A laboratory stand was created to check the efficiency of the developed circuit and evaluate energy efficiency using a supercapacitor battery and compare the results of the two proposed modified circuits, which reduce voltage ripples and energy losses. A mathematical model of the electromechanical electromechanical system in classical and structural form, as well as a computer model using the Simulink package of Matlab. Computer simulation of electromagnetic, electromechanical and mechanical processes of electric car motion in dynamic and static modes under different driving conditions is performed. The anomalous modes of operation of the electric drive of the electric car in the conditions of towing of wheels are investigated and it is established that possible easily measuring coordinates of establishment of the fact of towing can be a derivative of armature current, wheel acceleration and its derivative in the presence of the modern pulse speed sensor. The energy efficiency of the proposed electric drive circuits with a supercapacitor battery for 7 international standard cycles, taking into account energy losses in the components of the electric drive. Tests of the electric car are carried out. The efficiency of the developed basic scheme of the electric drive and increase of energy efficiency depending on the standard cycle of movement by 13 to 24% due to regenerative modes in the presence of a supercapacitor battery is confirmed. The tests also confirmed a significant reduction in the current load of the battery, which indicates an improvement in thermal conditions. This helps to increase its life and indicates the feasibility of research on the joint use with SCB lithium-ion and other batteries installed in serial foreign electric vehicles.