Автомобілі з гібридною трансміссією і комбінованою енергетичною установкою

35

160

167,3

15,768

17,970

2,202

160

1,019

1,023

0,88

81,6

0,80

50

165

159,6

15,042

17,090

2,048

160

935

952

0,88

78

0,77

75

160

145,7

13,732

15,510

1,778

160

801

817

0,89

72

0,78

105

150

117,8

11,102

12,380

1,278

151

560

567

0,90

60,5

0,79

Рисунки 4.10-4.17 показують залежність температури в давачах від часу випробувань для різних температур охолоджуючої рідини відповідно. Для безперервної роботи електродвигуна необхідно, щоб температура статора не перевищувала гранично допустимої (170 ⁰С), а температура оливи в системі мащення не перевищувала 158 ⁰С.

Рисунок 4.10 - Зміна температури в точках електродвигуна при частоті ротора 900 об/хв., крутному моменті 168,7 Н•м і температурі охолоджувальної рідини 35 ⁰С



Рисунок 4.11 - Зміна температури в точках електродвигуна при частоті ротора 900 об/хв., крутному моменті 168,7 Н•м і температурі охолоджувальної рідини 35 ⁰С

Рисунок 4.12 - Зміна температури в точках електродвигуна при частоті ротора 900об/хв., крутному моменті 159,6 Н•м і температурі охолоджувальної рідини 50 ⁰С



Рисунок 4.13 - Зміна температури в точках електродвигуна при частоті ротора 900об/хв, крутному моменті 159,6 Н•м і температурі охолоджувальної рідини 50 ⁰С

Рисунок 4.14 - Зміна температури в точках електродвигуна при частоті ротора 900об/хв., крутному моменті 145,7 Н•м і температурі охолоджувальної рідини 75 ⁰С



Рисунок 4.15 - Зміна температури в точках електродвигуна при частоті ротора 900об/хв, крутному моменті 145,7 Н•м і температурі охолоджувальної рідини 75 ⁰С

Рисунок 4.16 - Зміна температури в точках електродвигуна при частоті ротора 900об/хв, крутному моменті 117,8 Н•м і температурі охолоджувальної рідини 105 ⁰С



Рисунок 4.17 - Зміна температури в точках електродвигуна при частоті ротора 900об/хв, крутному моменті 117,8 Н•м і температурі охолоджувальної рідини 105 ⁰С

Таблиця 4.10 - Розосереджена моторна потужність до моторного теплообмінника

Тем-ра ох. рі-ни, 0С	Тем-ра на виході, 0F	Тем-ра на вході, 0F	Різниця, 0F	Витрата, галон/хв.	Витрата, л/хв.	Потужність теплообмін-ника, кВт
35	99,68	94,28	5,4	0,1514	2,2	1,678
50	125,24	121,1	4,14	0,1514	2,2	1,287
75	167,18	165,02	2,16	0,1514	2,2	0,677
105	217,22	218,3	-1,08	0,1514	2,2	-0,338

Таблиця 4.11 показує ефективність теплообмінника електродвигуна, що визначене відношенням розосередженої потужності електродвигуна до потужності теплообмінника і сумарних втрат в електродвигуні. Коли температура охолоджуючої рідини низька і рівна 35⁰С то це відношення рівне 0,763. Це відношення зменшується, коли температура охолоджуючої рідини зростає. Як видно, при 105⁰С теплообмінник не тільки припиняє охолоджувати електродвигун, а й передає йому свою теплоту, використовуючи при цьому електродвигун як радіатор.

Таблиця 4.11 - Ефективність роботи теплообмінника електродвигуна

Тем-ра ох. рі-ни, 0С	Сумарні втрати, кВт	Потужність тепло-обмінника, кВт	ККД теплообмінника
35	2,200	1,678	0,763
50	2,050	1,287	0,628
75	1,780	0,677	0,380
105	1,280	-0,338	-0,264

Таблиця 4.12 показує оцінку максимальної потужності за дослідними даними. Залежність температури від часу при різних крутних моментах і механічних навантаженнях зображено на рисунку 4.18.

Таблиця 4.12 - Дослідження при максимальній потужності

Струм, А	Напруга, В	Крутний момент, Н·м	Мех. потужність, В	Час випробувань, с
136	205	265	24,976	91
149	205	300	28,275	40
161	205	320	30,160	62
176	205	335	31,574	30
187	205	344	32,422	30
176	210	338	31,857	40
136	205	265	24,976	91

Рисунок 4.18 - Випробування максимальної потужності при частоті ротора 900 об/хв і напрузі 205 В

Рисунок 4.19 показує залежність швидкості зміни температури від крутного моменту. Спроектована точка - це точка із координатами 400 Н•м і 2,1 ⁰С/с. Якщо температура електродвигуна 40 ⁰С , то для досягнення критичної температури необхідно 62 с((170-40)/2,1). Якщо обмотка електродвигуна гаряча і її температура 160 ⁰С, то для виконання тієї ж операції необхідно 4,8 с при максимальному навантаженні ((170-160)/2,1).

ККД і коефіцієнти потужності електродвигуна при максимальному крутному моменті наведено в таблиці 4.19. ККД може бути в межах 40-50%, коли навантаження крутного моменту зростає. Коефіцієнт потужності майже еквівалентний активному навантаженню через високі втрати.

Рисунок 4.19. Швидкість зміни температури обмотки при крутному моменті 400 Н•м

Таблиця 4.13 - ККД і потужності в області максимального крутного моменту

Темп. обмотки, 0С	Крутний момент, Н·м	Струм, А	Напруга, В	Мех. потужність, В	Електр. потужність, В	ККД
127,8	265,0	136,0	205,0	24976	48232	0,518	0,999
132,4	300,0	149,0	205,0	28275	52843	0,535	0,999
92,9	320,0	161,0	205,0	30160	57099	0,528	0,999
82,9	335,0	176,0	205,0	31574	62418	0,506	0,999
70,8	344,0	187,0	205,0	32422	66320	0,489	0,999

5. Основні результати і висновки

Дослідження робочих характеристик комбінованої енергетичної установки, зокрема електродвигуна та інвертора, були досягнуті через оцінку системи, підготовку до випробувань і лабораторні дослідження, які включали вимірювання зворотної ЕРС, визначення втрат потужності, побудову карт ефективності електродвигуна, інвертора і системи електродвигун-інвертор, дослідження роботи підвищувального конвертера, визначення зміни температури в різних точках системи. В основному, повний підхід цього проекту полягав у тому, щоб повністю визначити системи й потім виконати детальну оцінку їхніх робочих характеристик у лабораторному середовищі, яким керують. Цей підхід, як виявилося, був технічно нормальним й успішним. Проведено випробування робочих характеристик у рівнях підсистем:

- форми хвилі і значення напруги зворотної ЕРС для електродвигуна (і для генератора);

- випробування при блокуванні ротора під змінними кутами крутного моменту (по діапазоні 90-134⁰);

- визначення втрат потужності від тертя в шестернях і підшипниках для різних операційних швидкостей і температур мастильних матеріалів;

- складання карт робочих характеристик двигуна/інвертора при повній швидкості й при використанню діапазонів нагрівання двигуна/інвертора до температур 50-90 ⁰С;

- визначення зміни температури в певних точках системи в залежності від температури охолоджувальної рідини і часу випробування.

5.1 Отримані результати і спостереження

Випробування системи комбінованого приводу показало, що зв'язані з коробкою передач втрати тертя, є суттєвими. Ці втрати складають приблизно 2,4 кВт при швидкості обертання ротора електродвигуна 6000 об/хв. Переважні втрати, приблизно 1,6 кВт, пов'язані з головною передачею й ланцюгом двигуна, у той час як електродвигун, коробка розподілу потужності, і генератор привели до втрат приблизно рівних 0,8 кВт. Втрати зубчастої передачі насамперед пов'язані з оливою, що рухається в межах кожуха двигуна, й оливою, що рухається через генератор і електродвигун, щоб забезпечити необхідне змащування й видалення зайвої високої температури. Ці втрати, які наведені в підсумку в таблиці 5.1, були визначені з мастильними матеріалами при кімнатній температурі (при 25°C). Випробування також показали, що повні втрати зменшилися приблизно на 20 %, коли температура мастильних матеріалів збільшилася з 27⁰С до 80⁰С. Це зауваження вказує, що повні втрати для гібридної системи електроприводу рівні приблизно 1,9 кВт при температурі мастильних матеріалів 80⁰С.

Таблиця 5.1 - Сумарні втрати в зубчастій передачі при 25°C

Елемент	Втрати, %
Головна і ланцюгова передачі	68
Ротор електродвигуна	21
Генератор і планетарна передача	11

Передаточні числа передачі були змінені й записані для ротора електродвигуна й для ротора генератора. Ці зміни були насамперед виконані, щоб забезпечити точне обчислення швидкості, крутного моменту, і навантаження, але отримані дані також дали корисну інформацію для порівняння з іншими двигунами й можливість забезпечення технічного вибору і компромісу, які були втілені в частині цієї роботи.

Проведено вимірювання частоти струму і зворотної напруги на електродвигуні і генераторі. Протягом випробувань використовувався динамометр, щоб керувати швидкістю обертання роторів двигуна і генератора. Результати випробування зворотної ЕРС зведені в таблицю 5.2.

Таблиця 5.2 - Результати вимірювань зворотної ЕРС

Дослідні умови	Результати
Зворотня ЕРС електродвигуна (6000 об/хв.)	540 В
Постійна напруга електродвигуна	1,33 В/Гц
Зворотня ЕРС генератора (6420 об/хв.)	195 В
Постійна напруга генератора	0,46 В/Гц

Серія випробувань блокованого ротора була виконана, щоб визначити загальні операційні властивості тягової здатності електродвигуна. Зокрема крутний момент і струм, вивчені протягом випробувань блокованого ротора, дали можливість охарактеризувати здатність крутного моменту при пуску двигуна. Струм і відповідне значення крутного моменту представлені таблиці 5.3.

Таблиця 5.3 - Результати випробувань струму і відповідного йому крутного моменту

Струм, А	Максимальний крутний момент, Н•м
75	140
150	260
250	400

Дослідження ефективності системи електродвигун-інвертор, що частково супроводжувалося тепловим випробуванням. Ці випробування були успішними у визначенні безперервних оцінок комбінованої енергетичної установки при температурах охолоджуючої рідини в межах 35-105°C. Ця інформація не була випущена компанією по виробництву автомобілів Тойота. Оцінки на основній швидкості (1200 об/хв.) були спроектовані від випробувальних даних при 900 об/хв. Безперервні досліди були налаштовані для використання 15 кВт при температурі 105°C охолоджуючої рідини, і використання 21 кВт при температурі 35°C охолоджуючої рідини. Заключне випробування системи комбінованого приводу - картографування робочих характеристик двигуна/інвертора по повній швидкості й діапазонах навантаження при використанні охолоджуючої рідини температурою 55 ⁰С. У ранніх випробувальних циклах, використовуючи тільки каліброване інструментування, дослідні дані показали вищу ефективність інвертора ніж передбачалося. Це привело до серії випробувань, призначених для:

- перевірки правильності дослідних даних;

- забезпечення вищого рівня достовірності результатів.

Дослідні дані дозволили зробити графіки контуру ефективності для двигуна, інвертора, і об'єднаної системи двигун-інвертор, що показано на рисунку 5.1. Вони обговорені в розділі 3.3.3.

Відібрана частина механічних, експлуатаційних, електричних, і теплових даних представлена у цій роботі. Додаток 1 забезпечує даними основних і істотних вимірів, що дозволяють характеризувати робочі характеристики підсистем двигуна й інвертора. Щоб зменшити набір таблиць дані були усереднені. Кожен ряд даних таблиці - середнє число з 5-10 наборів даних; які усереднюються, щоб усунути розсіювання даних, ефекти шуму, і т.д.

Таблиця зроблена в порядку зростання кутової швидкості, а потім крутного моменту. Таблиця не утворена в порядку отримання даних. Три колонки показують потужність вхідного змінного струму на інверторі, механічну потужність на валу, і вихідну потужність від інвертора. Три колонки показують ККД інвертора, двигуна, і об'єднані дані двигуна-інвертора. Дві колонки показують постійну напругу електроживлення інвертора. Дві колонки показують трифазні вихідні напруги інвертора й струми, усереднені по цих трьох фазах.

Остання колонка показує температуру статора від одного із трьох давачів, що були вмонтовані між двома обмотками статора. Результати зчитували тільки із одного давача. Цей специфічний давач погоджений з іншими двома при низьких температурах, але під час високих температурних відхилень, забезпечив найвище читання температури (часто вище чим інші два на 5-15 ⁰C). Цей давач був розташований у верхній лівій області статора. Інші два були розташовані у верхній правій і нижній правій областях. Навіть якби дані від всіх трьох давачів були надані, то це мало б обмежене використання, тому що фактичні температури в значній мірі залежали від того, як довго двигун працював на даному рівні завантаження перш, ніж дані були отримані. Особливо при низьких швидкостях і високих рівнях навантаження вала, дані повинні були бути отримані якнайшвидше, у той час як температури статора швидко піднімалися.

Таким чином, результати випробування комбінованої системи приводу забезпечили великою кількістю інформації щодо цих інноваційних, високо-продуктивних підсистем, які не були доступні раніше.

5.2 Висновки щодо важливості дослідження

Таким чином, проведені випробування забезпечують інформацією щодо ефективності використання комбінованих енергетичних установах. На рівні з дослідною енергоустановкою існує ще багато й інших, конструкція яких в основному залежить від типу транспортного засобу. На ринку все частіше з'являються комерційні автомобілі (особливо легкі позашляховики - джипи) з КЕУ, які можуть внести певні відхилення в дослідну систему комбінованого приводу. Звичайно, можуть бути деякі нововведення в системі ДВЗ, та основна заслуга буде на стороні КЕУ. Важливо покращити паливну економічність транспортного засобу, щоб значно зменшити імпорт нафти. Це може бути зроблене найефективніше при використанні економічних автомобілів. Із глобальним збільшенням попиту на нафту будуть збільшуватися і ціни на неї, що спостерігається і зараз, і споживачі будуть зацікавлені в купівлі економних автомобілів. Крім того програма державної підтримки економічних автомобілів також дає свій результат, хоча найвагоміший чинник, що змушує розробляти гібридні автомобілі - це паливна економічність.

Рисунок 5.1 - Об'єднані контурні карти ефективності системи двигун-інвертор

Список використаних джерел

1. В.А. Щетина, Ю.Я. Морговский, Б.И. Центер, В.А. Богомазов; Под общ. ред. В.А. Щетины Электромобиль: Техника и экономика. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. - 253 с.

2. В.В. Карницкий и Л.И. Вахошин; И.М. Минкин, А.С. Разумнов НАМИ Автомобильная энергетика: современные направления и перспективы развития. Журнал "Автомобильная промышленность", 2006 год, № 6

3. Б.Н. Белоусов, Д.Б. Изосимов, К.Г. Лексин МГТУ имени Н.Э. Батмана Автомобили с гибридной трансмиссией и КЭУ. Журнал "Автомобильная промышленность", 2006 год, № 6

4. http://www.uqm.com

5. http://www.autocentre.ua

6. http://journal.agrosector.com.ua/archive/15/288

7. J.S. Hsu, S.C. Nelson, P.A. Jallouk et al., Report on Toyota Prius Motor Thermal Management, ORNL/TM-2005/33, UT-Battelle, LLC, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee, February 2005.

8. J.S. Hsu, C.W. Ayers, C.L. Coomer, R.H. Wiles, S.L. Campbell, K.T. Lowe, and R.T. Michelhaugh, Report on Toyota/Prius Motor Torque Capability, Torque Property, No-Load Back-EMF, and Mechanical Losses, ORNL/TM-2004/185, UT-Battelle, LLC, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee, October 2004.

9. Prius Repair Manual, 1, Pub. No. RM1075U1, Toyota Motor Corporation, 2003.

10. Prius Repair Manual, 2, Pub. No. RM1075U2, Toyota Motor Corporation, 2003.

11. Prius Repair Manual, 3, Pub. No. RM1075U3, Toyota Motor Corporation, 2003.

12. J.S. Hsu, C.W. Ayers, and C.L. Coomer, Report on Toyota/Prius Motor Design and Manufacturing Assessment, ORNL/TM-2004/137, UT-Battelle, LLC, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee, August 2004.

13. Prius New Car Features 2004, Toyota Motor Corporation, 2004.

14. N. Bianchi, S. Bolognani, and B.J. Chalmers, “Salient-Rotor PM Synchronous Motors for an Extended Flux-Weakening Operation Range,” IEEE Transactions on Industry Applications, 36(4), July/August 2000.

15. S.D. Rubira and M.D. McCulloch, “Control Method Comparison of Doubly Fed Wind Generators Connected to the Grid by Asymmetric Transmission Lines,” IEEE Transactions on Industry Applications, 36(4), July/August 2000.

16. F.Z. Peng, Z-Source Inverter for Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles, Michigan State University, March 2004.

17. J.S. Hsu, Ph.D.,C.W. Ayers,C.L. Coomer,R. H. Wiles,Oak Ridge National Laboratory. Report on Toyota Prius motor torque capability, torque property, no-load back EMF, and mechanical losses.

18. Laura D. Marlino, Program Manager Prepared by:Oak Ridge National Laboratory. Report on Toyota Prius motor themal management.

19. J.S. Hsu, C.W. Ayers, C.L. Coomer Oak Ridge National Laboratory . Report on Toyota Prius motor design and manufacturing assessment

20. http://www.hybrids.ru/downloads.asp?r=39

21. http://www.hybrids.ru/downloads.asp?r=2

22. http://www.hybrids.ru/downloads.asp?r=1

Размещено на Allbest.ru