Автореферат: Разработка системы управления комбинированной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы теплового и электрического двигателей легкового автомобиля

Суммарная внешняя скоростная характеристика КЭУ (сумма мощностей ДВС и ЭД), при управлении разработанной системой управления изображена на рис. 4.

Рисунок 4. Реальные внешние скоростные характеристики ЭД ПТ-125-12, ДВС ВАЗ-1111 и комбинированной энергетической установки

Также на рис. 4 изображена внешняя скоростная характеристика ДВС ВАЗ-1111 и ЭД ПТ-125-12. При построении характеристики ЭД учитывалось, что ТД и ЭД соединены между собой согласующим редуктором с передаточным числом, равным 1,4.

Разработан алгоритм управления работой КЭСУ как объекта системы автоматического управления. Для осуществления процесса управления необходимо наличие трех основных элементов: объект управления, управляющая система (подсистема, устройство) и исполнительный орган. Система управления легкового автомобиля с КЭСУ ИЖ-2126, оборудованного ДВС и ЭД, может быть представлена следующими основными элементами: автомобиль с КЭСУ - управляемый объект; водитель и электронный блок управления работой ЭД - управляющая система; карбюратор ДВС, муфта сцепления, пускорегулирующая аппаратура ЭД и другие - исполнительный орган.

Контролируемые величины, по которым ведется управление, называются управляемые или регулируемые величины. В зависимости от задачи управления (запуск ЭД и ДВС, движение гибридного автомобиля с постоянной скоростью, разгон автомобиля и т.п.) управляемыми величинами являются: угловая скорость вращения выходного вала гибридной энергосиловой установки, скорость движения автомобиля и др.

На рис. 5 представлена разработанная функциональная схема управления легковым автомобилем с КЭСУ ИЖ-2126, с помощью которой можно проанализировать любой режим работы автомобиля с КЭСУ.

Рассмотрим, например, разгон автомобиля (рис. 5). Водитель (управляющая система) нажимая (управляющий сигнал) на педаль акселератора хочет, чтобы автомобиль двигался с определенной скоростью, от тяговой аккумуляторной батареи АБ 1-АБ 8 (исполнительный орган) подается напряжение (управляющее воздействие) к системе питания ЭД, ротор ЭД начинает вращаться с частотой вращения, величина которой определена подведенным напряжением. Одновременно, происходит регулирование частоты вращения вала ЭД. На вход логического блока системы автоматического управления поступают сигналы от датчиков, которые характеризуют состояние управляемого объекта. Логический блок системы автоматического управления (управляющая система), сравнивает данные сигналы с теоретическими (расчетными), заложенными в электронный блок управления, и если эти значения отличаются друг от друга, то на выходе формируется сигнал о необходимом в данной ситуации управляющих воздействий. Логический блок системы автоматического управления (управляющая система) подает соответствующий ток (управляющий сигнал) в обмотку управления блока управления возбуждением (исполнительный орган), блок управления возбуждения увеличивает или уменьшает средний ток (управляющее воздействие) в обмотке возбуждения ЭД (объект управления), и происходит уменьшение или увеличение угловой скорости вращения вала КЭСУ. Управляемой величиной является скорость движения автомобиля.

Рисунок 5. Функциональная схема системы управления автомобиля с КЭСУ

Расчет тягово-скоростных свойств, экономичности использования электрической энергии и топливной экономичности автомобиля с КЭСУ показал, что разработанная система управления КЭСУ автомобиля обеспечивает:

1. Максимально возможную скорость на четвертой и пятой передаче, соответственно 103 и 111 км/ч. Максимально возможный преодолеваемый подъем на первой, второй, третьей, четвертой, пятой передаче соответственно 26,2%, 14,2%, 9,5%, 6,4%, 4,5%. Время разгона на пути 1000 метров равно 48,4 секунд.

2. Затраты электроэнергии ЭД при движении в ездовых циклах на 100 км пути автомобиля с КЭСУ: европейский ездовой цикл 9,5 кВт*ч; американский магистральный ездовой цикл 12,38 кВт*ч; американский городской ездовой цикл 7,72 кВт*ч; городской ездовой цикл 10,507 кВт*ч; магистральный ездовой цикл 12,1 кВт*ч.

3. При моделировании движения автомобиля с КЭСУ в городских условиях эксплуатации по ездовому и европейскому циклу были получены следующие результаты расхода топлива на 100 км пройденного пути, соответственно 3,15 и 3,92 литров, без учета затрат электрической энергии.

Четвертая глава посвящена описанию созданного автомобиля с КЭСУ, проведению экспериментальных исследований и лабораторно-дорожных испытаний легкового автомобиля ИЖ-2126 с разработанной системой управления в составе КЭСУ, а также разработке наиболее рационального алгоритма управления режимами работы КЭСУ.

В ГОУ ВПО "Ижевский государственный технический университет" совместно с ОАО "ИжАвто" был создан гибридный легковой автомобиль на базе автомобиля ИЖ-2126, КЭСУ которого выполнена по параллельной конструктивной схеме, который состоит из следующих основных элементов:

- комбинированная энергосиловая установка, состоит из комбинированной энергетической установки и агрегатов трансмиссии;

- пускорегулирующая аппаратура (ПРА), главной функцией которой является согласование работы обоих двигателей силовой установки при передаче вращающих моментов по заданной программе, моделирующей реальные условия движения гибридного автомобиля;

- накопитель электрической энергии, представляет собой два блока свинцово-кислотных аккумуляторных батарей марки 6СТ-55, по четыре батареи в блоке, характеристика батареи: емкость 55 А*ч, напряжение 12 В, масса 15,5 кг;

- автомобиль носитель ИЖ-2126.

Комбинированная энергетическая установка состоит из следующих основных элементов:

- двигатель внутреннего сгорания ДВС ВАЗ-1111: максимальная мощность 22 кВт, максимальный вращающий момент 45 Н*м, рабочий объем 0,649 литра, степень сжатия 9,6, топливо АИ-92;

- электрический двигатель постоянного тока ЭД ПТ-125-12: напряжение на шунтовой обмотке возбуждения 70 В, ток возбуждения шунтовой обмотки 4,5 А, напряжение питания якоря 120 В, ток якоря не более 120 А, масса ЭД не более 68 кг, мощность 10 кВт, максимальный вращающий момент на валу 49 Н*м;

- согласующий ременный редуктор, предназначен для передачи вращающего момента от ДВС и ЭД на один выходной вал комбинированной энергосиловой установки. Передаточное число согласующего редуктора равно 1,4, так как максимально-возможная частота вращения вала ЭД равна 8400 об/мин, а у ВАЗ-1111 - 5600 об/мин.

При проведении экспериментальных исследований легкового автомобиля ИЖ-2126, были проведены работы по исследованию режимов работы систем легкового автомобиля с КЭСУ и его тягово-динамических качеств на стенде с беговыми барабанами с фиксированием количественных характеристик. В процессе исследований оценивалось: качество трансмиссии, мощность ДВС, совместная работа двигателей в тяговом режиме и торможении, совместная работа двигателей в режиме рекуперации, совместная работа двигателей при движении по европейскому городскому циклу.

Проведенные лабораторно-дорожные испытания показали:

1. Снаряженная масса и пять человек в салоне 1510 кг, на переднюю ось приходится 738 кг, а на заднюю 772 кг (для серийного автомобиля ИЖ-2126, снаряженная масса и пять человек в салоне с дополнительным грузом в багажнике 50 кг по 10 кг на каждого человека 1440 кг, на переднюю ось приходится 677 кг, а на заднюю 763 кг).

2. Результаты испытаний легкового автомобиля с КЭСУ на скоростные свойства: путь свободного качения со скорости 50 км/ч составил 505 метров; время разгона с места до скорости 60 км/ч составило 13 секунд; максимальная скорость на третьей и четвертой передаче равна, соответственно 103 и 88 км/ч.

3. Автомобиль с КЭСУ полностью обеспечивает выполнение норм ЕВРО-2 и выполнение норм ЕВРО-3 по выбросам СО. Общие выбросы в атмосферу токсичных составляющих с отработавшими газами в сравнении с серийными автомобилями ИЖ-2126 уменьшаются на 35-40 %.

4. Расход топлива автомобиля с КЭСУ по сравнению с базовым автомобилем ИЖ-2126 в городском режиме движения уменьшается на 25-31 %. Автомобиль обеспечивает максимальную скорость движения 90 км/ч. Автомобиль с КЭСУ обладает хорошей динамикой разгона и не создает помех в транспортных потоках автомобилей. Эксплуатационный расход топлива гибридного автомобиля в загородном режиме движения, при средней эксплуатационной скорости движения 65,5 км/ч расход топлива составил 7.3 л/100 км.

5. На загородном маршруте протяженностью 154 км, были проведены контрольные заезды по определению эффективности работы пускорегулирующей аппаратуры с точки зрения контроля и подзарядки накопителя энергии, заряженность аккумуляторных батарей в процессе испытательных заездов не изменилась, что свидетельствует об ограничении запаса хода гибридного автомобиля только емкостью топливного бака.

6. Запас хода только на накопителях электрической энергии (в режиме движения чистого электромобиля) составил 68 км, а максимально возможная скорость движения в этом режиме составила примерно 50 км/ч.

На основании проведенных исследований и испытаний, для повышения эффективности работы системы управления КЭСУ, и как следствие улучшение экономичности, тягово-скоростных свойств и экологичности автомобиля с КЭСУ, был разработан наиболее рациональный алгоритм управления режимами работы КЭСУ. В качестве определяющих параметров взяты: частота вращения вала КЭУ, значение положения педали акселератора, скорость движения и ускорение гибридного автомобиля. Требования к рабочему состоянию ДВС и ЭД в зависимости от контролируемых параметров в процессе движения автомобиля представлены в табл. 1.

Разработана наиболее рациональная логика работы пускорегулирующей аппаратуры для выбранной КЭСУ, которую желательно реализовать в электронном блоке управления. При этом в рассматриваемых режимах движения исследуемого автомобиля с КЭСУ должны выполнятся следующие условия:

- при замедлении, торможении и при движении накатом с ускорением J < -0.2 м/с² подача топлива в ДВС прекращается. Значение J, равное 0.2 м/с², соответствует началу устойчивого восприятия организмом человека продольных ускорений, т.е. при ускорениях по модулю более 0.2 м/с² человек однозначно может сделать вывод, что автомобиль движется с ускорением (замедлением);

Таблица 1. Состояние ЭД и ДВС в зависимости от контролируемых параметров

- при движении с низкими скоростями (для ИЖ-2126, оборудованного рассматриваемыми ДВС ВАЗ-1111 и ЭД ПТ-125-12, скорость движения менее 20 км/ч) подача топлива в ДВС также должна быть перекрыта, что позволит исключить работу ДВС на этих неэкономичных и токсичных режимах. При введении в конструкцию автоматического сцепления ДВС вообще нужно отключать;

- ЭД имеет высокий вращающий момент при малых частотах вращения вала, что может приводить к нарушению сцепления шин ведущих колес с полотном дороги. Поэтому для рационального использования электрической энергии аккумуляторных батарей следует ограничить крутящий момент, поступающий от ЭД, для эксплуатации гибридного автомобиля на реальных дорогах значением 13 кг*м;

- при движении на квазиустановившихся режимах на высоких скоростях (более 20 км/ч) должна идти зарядка накопителя электрической энергии. Необходимость начала и окончания зарядки в данных режимах движения должна контролироваться системой управления в зависимости от степени заряженности накопителей электрической энергии;

- в рассматриваемых комбинированных энергетических установках целесообразно отключать ЭД при частоте вращения его вала более 4132 об/мин, т.к. количество энергии, подводимой от ЭД, резко уменьшается при движении на более высоких частотах вращения вала. Отключение ЭД практически не влияет на скоростные свойства, при этом экономится электроэнергия накопителя;

- разгон автомобиля желательно осуществлять при работе рассматриваемого типа ДВС на режимах наивысшей топливной эффективности, т.е. примерно при 85-90 % нажатия на педаль акселератора;

- на остановках система управления должна отключать ЭД (ДВС будет отключен раньше в начале процесса торможения-замедления). Вспомогательное оборудование при этом должно работать от накопителя электрической энергии;

- при торможении, замедлении (Ug < 85-90 %, J < - 0.2 м/с²) и при движении накатом с ускорением (Ug = 0 %, J > 0.2 м/с²) должна включаться система рекуперации энергии. При этом ДВС не работает, так как нет подачи топлива.

Основные результаты и выводы

1. Кардинальное снижение расхода топлива и уменьшение токсичности отработавших газов на автомобилях с КЭСУ может быть осуществлено применением в составе КЭСУ параллельной компоновочной схемы маломощного теплового двигателя, работающего в более благоприятном режиме за счет совместной работы с ЭД или совсем отключаемого в некоторых режимах движения.

2. Для автомобиля среднего класса применение КЭСУ позволяет обеспечить хорошие тягово-скоростные свойства при подводе к ведущим колесам на наиболее характерных режимах движения от ЭД примерно 10-12 кВт. При этом максимальная мощность теплового двигателя должна быть более 24 кВт.