Delist.ru

Моделирование нестационарных режимов работы аккумуляторной батареи электромобиля (23.10.2009)

Автор: Иоанесян Алексей Вильямович

разработка имитационной модели нестационарного движения электромобиля;

разработка методики интеграции разнородных компонентов ЭМ;

программная реализация имитационной модели ЭМ;

постановка и решение задач оптимизации на имитационной модели.

Методы исследования

Теоретической основой диссертационной работы являются общая теория систем, методы оптимизации, случайные процессы, имитационное моделирование, исследование операций, регрессионный анализ, дисперсионный анализ и другие.

Научная новизна

Научную новизну работы составляют методы и модели нестационарных режимов работы АБ электромобиля. На защиту выносятся:

агрегированное процессное представление имитационной модели нестационарного движения ЭМ;

модели нестационарных случайных процессов динамики движения ЭМ и заряда/разряда АБ;

модели классификации типов АБ и задачи выбора типов для заданных характеристик движения ЭМ;

программная реализация имитационной модели ЭМ;

алгоритмы оптимизации на имитационной модели ЭМ.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, определяется корректным использованием современных математических методов, согласованным сравнительным анализом экспериментальных зависимостей с результатами имитационного эксперимента. Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения разработок в ряде крупных организаций.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования. Разработан программно-моделирующий комплекс, позволяющий в интерактивном режиме использовать оперативные данные о состоянии процессов для принятия решений по выбору характеристик АБ электромобиля. Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию и внедрены для практического применения в ЗАО «МС ЛОГИСТИКА», ГНПП «КВАНТ», а также используются в учебном процессе в МАДИ (ГТУ). Результаты внедрения и эксплуатации подтвердили работоспособность и эффективность разработанных методов.

Апробация работы

Содержание разделов диссертации докладывалось и получило одобрение:

на республиканских и межрегиональных научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах (2003-2009 гг.);

на заседании кафедры «Электротехника и электрооборудование» МАДИ (ГТУ).

Содержание работы

Структура работы соответствует списку перечисленных задач, содержит описание разработанных методов, моделей и методик.

Во введении обосновывается актуальность работы, определена цель и поставлены основные задачи исследования.

В первой главе диссертации классифицированы современные АБ, определены их основные характеристики. Проведена систематизация известных методов расчета характеристик АБ и дана оценка возможности их применения при моделировании нестационарного нагружения.

Характеристики ЭМ в основном определяются показателями бортовых источников электрической энергии. В составе энергетических установок ЭМ наибольшее распространение получили свинцово-кислотные (PbAcid), никель-кадмиевые (Ni-Cd), никель-металлогидридные (Ni-MH) АБ и батареи на основе лития (Li-Ion, Li-Metal, Li-Polimer)

Анализируя характеристики различных типов АБ, заявленные производителями, можно выделить две группы: батареи высокой энергии (тяговые), применяемые на "чистых" электромобилях и выcокомощные (импульсные) батареи.

. Сравнение различных типов АБ для электромобилей по величине удельной энергии.

Удельная энергия батарей первой группы достигает для свинцово-кислотных 35 Вт?ч/кг; никель-кадмиевых – 45 Вт?ч/кг. Эти батареи отличаются небольшой стоимостью, однако их использование значительно снижает эксплуатационные характеристики и ограничивает область использования ЭМ.

Перспективными являются никель-металлгидридные АБ Em=80 Вт?ч/кг, Pm=200 Вт/кг, литий-ионные АБ Em=140 Вт?ч/кг, Pm=420 Вт/кг и их разновидность с полимерным электролитом (Li-Polimer) Em=205 Вт?ч/кг, Pm=420 Вт/кг. Значения удельной энергии приводятся для 3-x часового режима разряда, а значения мощности соответствуют импульсу длительностью 30 с при 80% степени заряженности.

Приведенных удельных характеристик батарей недостаточно для сравнения эффективности их использования на ЭМ, поэтому основной задачей диссертации является моделирование нестационарного нагружения АБ на ЭМ, для которой предлагается модель “черного ящика” с использованием классических методов планирования эксперимента.

По исследуемым параметрам (входным и выходным) можно выделить следующие группы методов:

методы описания семейства разрядных кривых – зависимость U=f(I, t) при заданном постоянном значении температуры (T=const);

вычисление максимального времени разряда (ёмкости батареи) в зависимости от тока разряда [tm=f(I), I=const];

методы упрощённого расчёта нестационарного разряда АБ, т.е. разряда при изменяющемся во времени разрядном токе или потребляемой мощности [tm=f(I), I=var или tm=f(P) P=var];

определение момента окончания разряда АБ на данном токе, что находит применение не только при моделировании ЭМ, но и в системе управления АБ непосредственно на борту ЭМ;

комплексные методы, определяющие зависимости U=f(I, t, T) и tm=f(I).

Проведенный в работе анализ показал, что разделение методов моделирования работы АБ на описание процесса разряда и заряда весьма условно, поскольку большинство методов расчёта семейства разрядных кривых применимы и для описания временных зарядных характеристик.

Наиболее известным является метод аналитического описания разрядных характеристик АБ, предложенный Шефердом. Данный метод позволяет описать зависимость U = f(I,t) в виде:

где Еs - начальное напряжение разряда, В; K - коэффициент поляризации, Ом?см; N - внутреннее сопротивление элемента, Ом?см; Q - количество (ёмкость) активного материала, А?ч/элемент; I - ток разряда, А; t - время разряда, ч; А - эмпирический коэффициент, В; В - эмпирический коэффициент; С - коэффициент, (В?см)/(А?сек).

загрузка...