Delist.ru

Выбор параметров комбинированной энергетической установки автомобиля с применением математического моделирования (26.11.2009)

Автор: Голубчик Тимофей Владимирович

Механическая мощность на колесах есть функция времени и интегрируется на всем протяжении цикла. Это движение может имитироваться на динамометрических стендах, где расходы топлива и эмиссия выхлопных газов измеряются непосредственно. Для автомобилей с КЭУ в случае использования энергии от внешних электрических сетей, рассчитывать ее необходимо отдельно. Суммарные расходы энергии ТС затем могут быть пересчитаны в первичную энергию. Электрическая энергия, используемая от внешних сетей должна рассчитываться с учетом эффективности ее генерирования и потерь на транспортирование.

Во всем мире используются три группы циклов: европейские, американские и японские.

Европейские циклы относятся к искусственным (модальным) циклам. Американские циклы относятся к случайным циклам. Цикл FTP72 часто называют EUDC, UDDС или LA4 (рис.4.). Все Японские циклы являются модальными.

Рис. 4. Американский цикл UDDC.

Проведен анализ перспектив развития и результатов испытаний транспортных средств с КЭУ. Рассмотрены конструкции, энергетические и мощностные показатели транспортных средств с комбинированными энергетическими установками.

Во второй главе рассмотрены существующие методы аналитического описания характеристик аккумуляторных батарей в режимах их стационарного и нестационарного нагружения.

При моделировании комбинированной энергетической установки одной из основных трудностей является моделирование работы аккумуляторной батареи в нестационарных режимах, поэтому в работе проведены оценки точности методов моделирования.

Существует несколько подходов к моделированию АБ, в том числе:

- математическое моделирование физико-химических процессов

происходящих в аккумуляторе;

- аналитическое описание разрядных характеристик АБ математическими методами с использованием ЭВМ, позволяющих оперировать большим массивом точек извлеченных из характеристик.

Первый подход состоит в описании характеристик АБ математическими формулами или схемами замещения, которые имитируют конкретные физико-химические процессы, происходящие в аккумуляторе во время разряда или заряда.

Во втором подходе предполагается, что аккумуляторная батарея является "черным ящиком", который имеет набор входных и выходных параметров. Моделирование строится на математическом анализе зависимостей выходных параметров от входных.

Вышеприведенные методы математического описания работы АБ имеют свои недостатки и преимущества. При использовании формул, отражающих физико-химические процессы необходимо знать как конструктивные параметры аккумулятора, так и экспериментально полученные характеристики. При использовании моделей, достаточно иметь только экспериментальные данные и, главным образом, разрядные (зарядные) характеристики при различных условиях работы АБ.

Модель, описывающая химические и физические процессы в аккумуляторе, может быть использована только для одного типа аккумуляторов, в то время как математическая модель, сформированная на основе разрядных и зарядных характеристик, может быть применима и для различных типов аккумуляторов. Основной недостаток этой математической модели заключается в том, что уравнения типа U=f(t) или U=f(I,t) описывают эти зависимости для определенного диапазона входных параметров и при выходе параметров за эти пределы модель работает с большими погрешностями, а в некоторых случаях оказывается вообще неприемлемой.

Построение моделей с использованием первого (физико-химического) подхода для свинцово-кислотных, и некоторых типов щелочных аккумуляторов достаточно изучены. Что касается физико-химических процессов новейших типов АБ, например, литий - ионных батарей с пористым полимерным электролитом (РРЕ), то надежных данных, ставящих в соответствие конструктивные параметры этих АБ и их выходные характеристики, не имеется.

В данной работе, главным образом, изучаются методы, основанные на втором подходе. В качестве исходных параметров используются экспериментальные разрядные (зарядные) характеристики при различных температурах и режимах разряда (заряда), а также информация о предельных значениях напряжений или максимальном времени разряда (заряда) при заданном токе.

Существующие методы можно классифицировать по ряду признаков.

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

- методы описания семейства разрядных кривых: зависимость

U=f(I, t, Т) при заданных постоянных значениях тока и температуры;

- вычисление максимального времени разряда tm (емкости батареи) в зависимости от тока разряда (tm=f(Р), I=const);

????j?ю

?Љ?Љ??????J?J?J???????та нестационарного разряда батареи, т.е. разряда при изменяющемся во времени разрядном токе или потребляемой мощности (tm=f(Р) ,I=var или tm=f(Р) P=var);

- определение времени окончания разряда батареи на данном токе, что находит применение в системе управления аккумуляторной батареей непосредственно на транспортном средстве;

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

Предложены два метода расчета энергетических показателей батарей: метод аппроксимации и метод массивов. Даны оценки точности этих методов и сделаны выводы о преимуществах метода массивов как более точного и в связи с применением ЭВМ, менее трудоемкого.

Метод массивов экспериментальных данных заключается в получении непрерывной поверхности U=f(I,t) интерполяцией и экстраполяцией экспериментальных данных представленных в ЭВМ. За счет этого можно избежать погрешностей, возникающих при аппроксимации экспериментальных кривых уравнением Шеферда или каким либо другим методом. Погрешность данного метода определяется, главным образом, точностью введенных экспериментальных данных и дискретностью данных в массиве.

Исходные данные содержат значения максимального времени разряда для каждого значения тока. К исходным данным также следует отнести закон позволяющий определить максимальное время разряда батареи для заданного тока разряда tm = f(I). Удобнее всего в качестве такого закона использовать степенную зависимость известную как метод Пейкерта. Возможно использование и других критериев. В данном случае существенную роль играют не сами коэффициенты Пейкерта для данной батареи, которые могут отличаться, а вид уравнения, по которому осуществляется интерполяция.

Для заданного (например, из графика движения) значения тока разряда I определяются ближайшие экспериментальные разрядные кривые при токах Iа и Ib (Iа < I < Ib) и соответствующие им конечные значения времени разряда tma и tmb (рис. 5).

По имеющимся значениям Ia, Ib, tma и tmb определяются коэффициенты уравнения tm= f(I). При использовании уравнения Пейкерта определение коэффициентов осуществляется:

По имеющейся зависимости tm=f(I) определяют значение максимального времени разряда tma при данном значении тока, если при пошаговом расчете полученное значение максимального времени оказалось меньше заданного времени разряда, то это означает, что батарея разрядилась и расчет прекращается.

Из условия постоянства степени разряда по емкости рассчитываются значения времени для токов Iа и Ib, соответствующие заданному времени разряда t:

Для значений ta и tb в массиве выбираются ближайшие значения времени t1a

Линейной интерполяцией находятся значения напряжения соответствующие времени ta и tb:

По полученным значениям Ua и Ub аналогичным образом рассчитывается искомое значение напряжения

Рис. 5. Определение напряжения батареи по заданным значениям тока и времени из массива экспериментальных данных.

В случае, если заданное значение тока лежит вне диапазона токов, заданных исходным массивом, вычисления осуществляются по описанному выше алгоритму с той лишь разницей, что осуществляется экстраполяция по двум максимальным или минимальным значениям токов.

При использовании данного метода для нестационарного нагружения АБ приведенный алгоритм должен оперировать мгновенным значением тока, при этом необходимо учитывать степень разряженности батареи.

При необходимости определять значения напряжения батареи в зависимости не только от времени и тока разряда, но и от температуры возможно расширение данного метода введением массива разрядных кривых при различной температуре. Предложенный и апробированный метод расчета разряда и заряда включенный в состав обобщенной математической модели КЭУ, позволяет в следующих разделах работы определять параметры АБ с различными электрохимическими системами.

Страницы: 1  2  3  4  5