Разработка системы управления движением гибридного автомобиля

Мы знаем из раздела про устройства распределения мощности, что генератор MG1 должен проявить обратный крутящий момент на солнечной шестерне. Это как бы точка опоры рычага, с помощью которого ДВС вращает коронную шестерню (а значит, колеса). Без сопротивления MG1 ДВС просто вращал бы MG1 вместо того, чтобы приводить в движение автомобиль. Когда MG1 вращался вперед, было легко видеть, что этот обратный вращающий момент мог создаваться генераторной нагрузкой. Следовательно, электроника инвертора должна была забирать энергию от MG1, и тогда появлялся обратный крутящий момент. Но теперь MG1 вращается назад, и как же нам добиться, чтобы он создавал этот обратный крутящий момент? Хорошо, как мы сделали бы, чтобы MG1 вращался вперед и производил прямой крутящий момент? Если бы работал как мотор! Все наоборот: если MG1 вращается назад, и мы хотим получить крутящий момент в том же самом направлении, MG1 должен быть двигателем и вращаться, используя электроэнергию, поставляемую инвертором.

Движение накатом.

Когда Вы снимаете ногу с педали акселератора, можно сказать, что Вы движетесь "накатом". Двигатель не пытается толкать автомобиль вперед. Автомобиль постепенно замедляется вследствие трения качения и аэродинамического сопротивления. В обычном автомобиле двигатель все еще связан с колесами трансмиссией. Двигатель проворачивается без топлива и поэтому также замедляет автомобиль. Это называют "торможение двигателем". Хотя нет никакой причины для того, чтобы это происходило в Prius, Toyota решила дать автомобилю такие же ощущения, как на обычном автомобиле, имитируя торможение двигателем. Когда Вы движетесь накатом, автомобиль замедляется быстрее, чем если бы на него действовали только сопротивление качения и аэродинамическое сопротивление. Чтобы производить эту дополнительную замедляющую силу, MG2 включается как генератор и заряжает батарею. Его генераторная нагрузка имитирует торможение двигателем.

Поскольку двигатель не нужен, чтобы автомобиль ехал, он может остановиться. Водило сателлитов остановлено, а коронная шестерня все еще вращается. MG2, помните, соединен непосредственно с коронной шестерней. Сателлиты вращаются вперед, и MG1 вращается назад. Энергия не производится и не потребляется MG1; он просто свободно вращается.

Однако мы знаем, что MG1 вращается назад в 2,6 раза быстрее, чем коронная шестерня и MG2 вращаются вперед. Эта ситуация не безопасна, когда автомобиль едет на высокой скорости. При скорости 67 км/ч и выше, если оставить водило сателлитов неподвижным, то MG1 будет вращаться назад более 6500 об/мин. Поэтому, чтобы так не случилось, компьютер включает MG1 как генератор и начинает снимать энергию. Генераторная нагрузка предотвращает превышение оборотов MG1, и вместо этого водило сателлитов начинает вращаться вперед. При вращении водила сателлитов и ДВС на 1000 об/мин MG1 защищен на скоростях до 104 км/ч. На более высоких скоростях водило сателлитов и ДВС должны вращаться быстрее. Электроэнергия, произведенная MG1 в этом режиме, может использоваться, чтобы зарядить батарею.

Торможение.

Когда Вы хотите замедлить автомобиль более быстро, чем при свободном выбеге (движении накатом) - от сопротивления качения, аэродинамического сопротивления и торможения двигателем, Вы нажимаете на педаль тормоза. В обычном автомобиле это давление передается гидравлическим контуром на фрикционные тормоза в колесах. Тормозные колодки прижимаются к металлическим дискам или барабанам, и энергия движения автомобиля преобразовывается в тепло и автомобиль замедляется. Prius имеет точно такие же тормоза, но он имеет кое-что еще - регенеративное торможение. Принимая во внимание, что обычно двигатель остановлен в режиме торможения, в режиме "B" компьютер и моторы/генераторы устраивают так, чтобы вращать ДВС без топлива и с почти закрытым дросселем. Сопротивление, которое он создает, замедляет автомобиль, уменьшая нагрев тормозов, и позволяет Вам ослабить нажатие на педаль тормоза.

Режим электромобиля и старт на электричестве.

Обычный автомобиль с автоматической передачей тронется с места, если Вы снимете ногу с педали тормоза. Это побочный эффект работы гидротрансформатора, но он выгодно препятствует автомобилю катиться назад на подъеме, в то время как Вы переносите вашу ногу на педаль акселератора. Говорят, что машина "ползет". Как и с торможением двигателем, нет никакой причины, почему Prius должен вести себя таким образом, за исключением того, что Toyota хочет, чтобы водители испытывали знакомые ощущения. Поэтому "ползание" также имитируется. Небольшое количество энергии из батареи передается мотору MG2, когда Вы отпускаете тормоз. Она мягко отправляет автомобиль вперед.

Если Вы немного нажмете на акселератор, поступающая к мотору MG2 энергия будет увеличена, и автомобиль продвинется более резво. Так как MG2 весьма мощен и имеет высокий крутящий момент, Вы можете стартовать только на электроэнергии до порядочной скорости, пока дорожное движение позволяет Вам мягко ускоряться. Чем больше вы придавливаете акселератор, тем скорее ДВС запустится и начнет помогать Вам своим крутящим моментом и электричеством, произведенным генератором MG1.

Если Вы нажмете педаль до пола, то ДВС заведется сразу же, хотя Вы покинете линию прежде, чем он поможет ускорению и внесет большую энергию. Но, для большинства стартов внутри города, Вы отъедете от линии почти в полной тишине, используя только мотор MG2, запитанный от батареи. ДВС остается выключенным, и MG1 свободно вращается назад.

Медленное движение и "режим электромобиля" ("режим EV").

Выше я описал, как автомобиль поедет с использованием только электроэнергии и мотора MG2, если Вы не будете нажимать сильно на педаль акселератора. Если Вы достигаете желаемой скорости прежде, чем ДВС заведется, можете продолжить езду, используя только электроэнергию. Это называют "режимом электромобиля" ("EV mode"), так как автомобиль питается точно тем же самым способом, как настоящий электромобиль EV. Вращается коронная шестерня, поскольку MG2 приводит автомобиль в действие, водило сателлитов и ДВС остановились, солнечная шестерня и MG1 свободно вращаются назад.

Даже если ДВС запустился во время ускорения, когда Вы достигли скорости и уменьшили давление на педаль, энергия, необходимая для поддержания движения, может упасть до уровня, который может легко обеспечить мотор MG2. ДВС тогда выключится, и Вы окажетесь в режиме электромобиля. Трудно предсказать, когда это случится, поскольку это зависит от различных факторов - насколько заряжена батарея и других обстоятельств движения. Способ, которым ДВС запускается в режиме электромобиля, когда это становится необходимым, подобен теплому запуску, но корона и солнечная шестерня в этом случае не неподвижны. Солнечная шестерня вращается назад и должна сначала замедлиться. Этого может быть достаточно, чтобы разогнать ДВС до стартовой скорости в зависимости от скорости автомобиля, а солнцу, возможно, придется изменить направление и начать вращаться вперед. Чтобы замедлить солнечную шестерню, MG1 сначала работает в режиме генератора, и энергия снимается. Однако, поскольку скорость MG1 понижается близко к нулю, он должен быть включен как мотор для вращения вперед и запитан энергией так, чтобы быстро сменить направление вращения, пройти нулевую точку и начать вращаться вперед. В результате, как и в случае старта двигателя в стоящем автомобиле, водило сателлитов, а с ним и ДВС, вращаются вперед. Коронная шестерня планетарного механизма, вращающаяся вперед в автомобиле, получающем энергию от MG2, помогает разогнать ДВС до стартовой скорости при более низкой скорости MG1. Однако старт ДВС создает сопротивление свободному вращению коронной шестерни. Чтобы этот рывок не почувствовали водитель и пассажиры, не говоря уже о кофе в держателе чашки, на MG2 подается дополнительный импульс энергии для получения дополнительного крутящего момента, необходимого для запуска ДВС.

Замедление и движение под уклон.

Когда Вы мягко замедляетесь или спускаетесь под уклон, необходимая для движения энергия уменьшается, потому что инерция или гравитация помогает Вам двигаться вперед. Поэтому Вы немного уменьшаете давление на педаль акселератора. Если Вы немного замедляетесь или быстро спускаетесь с небольшой горки, мощность ДВС и обороты несколько уменьшаются, но это трудно заметить. Для большего замедления или на более крутом спуске, в зависимости от скорости, ДВС может прекратить давать энергию вообще, если MG2 может поставлять то, что необходимо. Я уже описывал, как при медленном движении мотор MG2 может поставлять всю необходимую энергию при остановленном ДВС. Ускоряясь и двигаясь на постоянной скорости горизонтально, режим электромобиля вряд ли возможен на скоростях выше 64 км/ч, потому что потребности в мощности, необходимой для преодоления аэродинамического сопротивления, достаточно, чтобы заставить ДВС включиться. Режим EV на более высоких скоростях может произойти, однако, при некоторых условиях и, весьма вероятно, произойдет при замедлении или быстрого спуска под гору. Чтобы работать в режиме электромобиля на скорости 67 км/ч и выше, автомобиль должен защитить MG1 от очень высоких оборотов так же, как при движении накатом. Единственное различие состоит в том, что коронная шестерня приводится в движение не движением автомобиля, а мотором MG2.

Задний ход.

Prius не имеет никаких шестерен заднего хода, который позволил бы автомобилю двигаться задним ходом с помощью ДВС. Поэтому он может перемещаться назад только с помощью электромотора MG2.

ДВС не может помочь напрямую. В большинстве случаев автомобиль остановит ДВС, когда Вы установите рычаг выбора режима в положение "R". Поскольку MG2 вращает вход редуктора назад, коронная шестерня планетарного механизма также будет вращаться назад. ДВС неподвижен, значит, и водило сателлитов также неподвижно. Это просто означает, что MG1 будет вращаться вперед. Он вращается свободно, не потребляя или не производя энергию. Это похоже на режим EV, но наоборот. Компьютер не позволит ехать назад с такой скоростью, чтобы MG1 вращался слишком быстро.

Если ДВС продолжает работать, когда рычаг выбора режима находится в положении R, например, если величина заряда батареи низка, то MG2 все еще просто ведет автомобиль назад как прежде. Единственное различие - водило сателлитов вращается вперед, солнечная шестерня и MG1 вращаются более быстро вперед, и компьютер должен ограничить заднюю скорость автомобиля на более низком значении, чтобы защитить MG1 от слишком большой скорости вращения. Энергия может быть взята от генератора MG1, чтобы питать MG2 и заряжать батарею.



2.3 Алгоритм режимов движения

Рисунок 2.16 - Алгоритм режимов движения



3. Моделирование гибридной установки в SIMULINK

Для моделирования последовательно-параллельной гибридной схема была выбрана программа SIMULINK пакета MATLAB.

В состав модели гибридной установки входят:

- ДВС;

- электрический двигатель

- планетарная передача;

- контролер;

- генератор;

- высоковольтная батарея

- DC-DC конвертер;

- динамика автомобиля.

Двигатель внутреннего сгорания.

Рисунок - 3.1 Модель двигателя внутреннего сгорания

Для модели был выбран четырех цилиндровый двигатель объемом 1.5 л. и мощностью 76 л.с.. работающий по принципу Аткинсона.

Электрический мотор MG2.



Рисунок 3.2 - Модель электрического двигателя MG2

Электрический двигатель - трехфазный, переменного тока, обладает мощностью 50 кВ. Он является основным тяговым электромотором в данной модели.

Планетарная передача.

Рисунок 3.3 - Модель планетарной передачи

А качестве трансмиссии был выбран Делитель мощности (Power Split Device (PSD). Основным компонентом трансмиссии автомобиля является планетарный механизм, который используется как делитель мощности "Power Split Device".

Этот механизм называется планетарным, поскольку имеет несколько расположенных по кругу (сателитных) шестерней, вращающихся вокруг центральной шестерни, называемой солнечной. Сателитные шестерни свободно вращаются на осях, закреплённых на водиле сателитных шестерней, которое также вращается вокруг общей оси планетарного механизма, вокруг которой вращается и солнечная шестерня.

Контроллер.

Рисунок 3.4 - модель контроллера

Представляет из себя систему распределения мощности. Состоит из контроллера скорости электродвигателя и контроллера заряда батареи.

Генератор.

Рисунок 3.5 - модель генератора MG1

В качестве модели выл выбран генератор мощностью 18 кВ. Генератор MG1 используется так же в качестве стартера. Во время работы двигателя, контроллер генератора используется для управления зарядом высоковольтной батареи.

Генератор может рекуперировать энергию во время торможения.

Высоковольтная батарея.

Рисунок 3.6 - Модель высоковольтной батареи

Емкость аккумулятора составляет 200 Ач, напряжение 200 В, максимальный ток 80 А. Для использования в инверторе напряжение батареи повышается до 500 В с помощью специального устройства - booster.

DC-DC конвертер.



Рисунок 3.7 - Модель конвертера DC-DC

В качестве преобразователя был выбран DC-DC конвертер, который преобразует с 200 В в 12 В.

Была собрана итоговая модель гибридной последовательно-параллельной установки. Были внесены данные соответствующие нашим компонентам.

Рисунок 3.8 - Модель последовательно-параллельной гибридной установки

Для наглядной демонстрации распределения мощности была задействована команда Scopes

Через операцию Scopes выводится два графика. На первом графике выводится скорость автомобиля в км/ч. На второй выводится кривая мощности выдаваемой высоковольтной батареей.

Выводимые результаты показывают зависимость вырабатываемой мощности от скорости автомобиля. Тестируются режимы ускорения, крейсерской скорости и замедления.

Рисунок 3.9 - Графики выводимые командой scopes

Из рисунка 3.9 видно какую мощность выдает высоковольтная батарея в зависимости от режима движения.



4. Технико-экономическое обоснование проекта

Данная система управления движением гибридного автомобиля в значительной мере снижает вредные выбросы углекислого газа и позволяет более рационально использовать запас хода автомобиля. Современные гибридные автомобили оснащены современными системами управления движением, но все равно расходуют много полезной энергии в пустую. Данная система управления гибридного автомобиля позволяет максимально экономить энергию, а так же рекуперировать энергию обратно в систему.

4.1 Анализ соотношения затрат и прибыли

Предпринимателю в процессе деятельности постоянно приходиться принимать решения о цене, по которой продукция будет реализована, о переменных и постоянных издержках, о приобретении и использовании ресурсов. Для этого необходимо точно и достоверно организовать уровни затрат и прибыли.

Все предпринимаемые в условиях рынка управленческие модели основаны на изучении взаимосвязи затрат, объема производства и прибыли. Специальный анализ помогает понять взаимоотношения между ценой изделия, объемом производства, переменными и постоянными затратами. Он позволяет сравнить различные варианты цен на продукцию и получение прибыли, а также отыскать наиболее выгодное соотношение между переменными, постоянными затратами, ценой и объемом производства продукции. Достичь этого можно разными способами:

- снизить цену продаж и соответственно увеличить объем реализации;

- увеличить постоянные затраты и увеличить объем;

- пропорционально изменять переменные, постоянные затраты, и объем выпуска продукции. Иногда анализ соотношения затрат, объема производства и прибыли (CVP- анализ, Cost-Volume-Profit) трактуют более узко, как анализ критической точки.

Под критической понимается та точка объема производства, в которой затраты равны выручке от реализации всей продукции, т.е. где нет ни прибыли ни убытков. Эту точку называют также «мертвой», или точкой безубыточности.

Для ее вычисления можно использовать три метода: уравнения, маржинальной прибыли и графического изображения.

Метод уравнения.

В качестве исходного уравнения для анализа принимают следующее соотношение выручки, издержек и прибыли:

Выручка - переменные затраты - постоянные затраты - прибыль.

Если выручку представить как произведение цены продажи единицы изделия и количества проданных единиц, а затраты пересчитать на единицу изделия, то в точке критического объема производства будем иметь:

Где QKP- объем производства продукции в критической точке (количество единиц);

Р - цена единицы продукции;

VC- удельные переменные затраты на единицу продукции;

FC- постоянные расходы.

Из формулы (6.1) определяем количество единиц продукции, которое необходимо продать, чтобы достигнуть критической точки:

Метод маржинальной прибыли представляет собой модификацию метода уравнений.

Маржинальная прибыль - это разность между выручкой от реализации продукции и переменными затратами, т.е. это определенная сумма средств, необходимая, в первую очередь, для покрытия постоянных затрат и получения прибыли предприятия. Маржинальная прибыль, приходящаяся на единицу продукции, представляет вклад каждой проданной единицы в покрытие постоянных затрат.

Преобразование формулы раскрывает связь объема продукции и относительного маржинального дохода:

Где d- относительный уровень удельных переменных расходов в цене продукта (d = VC/P);

(1 - d) - относительная маржинальная прибыль на единицу объема реализации.

4.2 Расчет затрат на этапе проектирования

Предпринимателю в процессе деятельности постоянно приходиться принимать решения о цене, по которой изделие будет реализовано, о переменных и постоянных издержках, о приобретении и использовании ресурсов. Для этого необходимо точно и достоверно определить затраты и прибыль и объем производства.

Под проектированием будем понимать совокупность работ, которые необходимо выполнить, чтобы спроектировать блок управления движением гибридного автомобиля.

Для расчета затрат на этапе проектирования необходимо определить продолжительность каждой работы. Продолжительность работ определяется либо по нормативам (при этом пользуются специальными справочниками), либо рассчитывают их по экспертным оценкам по формуле:

T0==

Где, tmin , tmax- наименьшая и наибольшая, соответственно, по мнению экспертов, длительность работ. Все расчёты сводим в таблицу 4.1

Таблица 4.1 Список выполняемых работ

Наименование работы	Длительность работ, часов
	tmin	Tmax	T0
1. Разработка ТЗ	2	3	2,5
2. Анализ ТЗ	2	4	3
3. Разработка алгоритма работы	4	7	5,5
4. Разработка схем	8	9	8,5
5. Разработка программного продукта	5	8	6,5
6. Отладка программы	2	4	3
7. Разработка конструкции	3	4	3,4
8. Испытание	4	6	4,8
9.Корректировка	3	5	3,8
10. Разработка сопроводительной документации	4	6	4,8
11. Оценка безопасности и экологичности проекта	3	5	3,8
12. Технико - экономическое обоснование проекта	4	6	4,8
13.Оформление пояснительной записки	6	8	6,5
Суммарное количество времени, ч.	70	75	74

На основании таблицы можно построить ленточный график выполнения работ (рисунок 4.1):



Рисунок 4.1 - Ленточный график выполнения работ

Для расчета стоимости проекта необходимо определить:

1) затраты на оборудование;

2) основную заработную плату;

3) дополнительную заработную плату;

4) налоги;

5) накладные расходы.

Основная заработная плата производственных рабочих на одно изделие исчисляется исходя из трудоемкости изготовления, применяемой тарифной сетки и часовых тарифных ставок (таблица 4.1).

Из таблицы 4.1 видно, что основная заработная плата, то есть сумма расходов на этапе подготовки производства составит 5952рубля.

Рассчитаем сумму дополнительной заработной платы из расчета 15,2% от основной заработной платы, получим:

Здоп=0,152*5952=892,8руб.

Отчисления на социальные нужды - 30% от суммы основной и дополнительной заработных плат

Зс.нуж=0,30*5952= 1785,6 руб.

Таблица 4.2 - Расчет основной заработной платы на проектирование нового устройства

Наименование работ	Разряд, должность	Время (час)	Ставка (в час, руб.)	Сумма, руб.
Разработка ТЗ	Ведущий инженер	18	27	486
Анализ ТЗ	Ст. инженер	21	21	441
Разработка структуры устройства	Инженер	46	16	736
Разработка схем	Инженер	55	16	880
Разработка схем монтажных	Инженер	42	16	672
Разработка ТД	Инженер	37	16	592
Разработка КД	Инженер	34	16	544
Согласование с заказчиком	Инженер	31	16	496
Корректировка	Инженер	36	16	576
Разработка ЭД	Инженер	23	23	529
Итого 5952

Рассчитаем накладные расходы (таблица 5). Норматив на накладные расходы составляет от 100 до 200% от суммы основной заработной платы разработчиков. Допустим, что накладные расходы составят 108%.

Инак=1.08*5952=7142,4 руб.

Таблица 4.3- Калькуляция на проектирование

Вид затрат	Сумма, руб.
Основная заработная плата (ОЗП)	5952,0
Дополнительная ЗП (ДЗП) разработчиков -10% от ОЗП	892,8
Отчисления на социальные нужды - 30% от ОЗП	1785,6
Накладные расходы (Н) - 108% от ОЗП	6451,4
ИТОГО ():	15081,8

Как видно из таблицы 5, затраты на проектирование составляют =15081,8 рублей.



4.3 Расчет стоимости материалов и комплектующих системы

В таблице 6 представлены материалы и комплектующие для изготовления устройства.

Таблица 4.4 - Материалы и комплектующие

Наименование статьи калькуляции	Сумма, руб.
1 Сырье и материалы	100,00
2 Кабель коаксиальный	50,00
3 Комплектующие (диоды 45х3=135,00руб, плата50,00руб, конденсаторы 3х30руб=90 руб, резисторы 9х2руб=18 руб, разъемы 3х20,33руб=60,99руб)	232
4 Микросхема UC3845	50
5 Микроконтроллер Atmega8	80,00
6 Трансформатор	300,00
7 Микросхема (стабилизатор напряжения)	30,00
8 Конденсаторы электролитические 8х100	800,00
Итого, прямые материальные затраты:	1642,00

4.4 Расчет себестоимости и рыночной цены

Исходя из назначения и области применения разработки, определим величину закладываемой прибыли в размере 70 % к сумме основной и дополнительной заработной плате (таблица 4.2).

Таблица 4.5 - Калькуляция себестоимости

Статья расходов	Сумма тыс. руб.
1 Материалы и оборудование	22000,00
2 Основная зарплата (ОЗ)	19000,00
3 Дополнительная зарплата (ДЗ) 15,4 %	2926,00
4 Социальное страхование (ОЗ) 30 % : 100 %	6460,00
5 Накладные расходы 55,86 % (ОЗ)	10614,00
6 Себестоимость	61000,00
7 Прибыль 10 % (ОЗ) :	1900,00
8 Цена	62900,00
9 НДС (18 %* цену)	11322,00
Стоимость	74222,00

Так как в стоимость системы входят покупные изделия и по ним платиться НДС 3960,00, фактический НДС к оплате определяем в цене за вычетом уже уплаченного НДС по приобретенным материалам и комплектующим.

В таблице 4.6 представлена калькуляция возможной рыночной цены. Полученное расчетное значение рыночной цены (таблица 4.6) соответствует оценкам экспертов, так же структура цены разработки аналогична усредненной по отрасли.

Таблица 4.6 -Рыночная цена системы

Наименование статьи калькуляции	Сумма, руб.
Полная себестоимость	61000,00
Закладываемая прибыль	1900,00
Итого, продажная цена без НДС	62900,00
НДС, (11322,00- 3960,00) за вычетом уплаченного НДС по приобретенным материалам и комплектующим табл. (18%)	7362,00
Итого, рыночная цена с НДС	70262,00

4.5 Графический метод CVP-анализа

Графический метод дает наглядное представление о CVP-анализе.

В прямоугольной системе координат строится график зависимости затрат и дохода от количества единиц произведенной продукции (рисунок 4.2).



Рисунок 4.2 - График затрат, прибыли и объема продаж

По вертикали откладываются данные об издержках и доходе, по горизонтали - количество единиц продукции. Порядок построения графика следующий:

Что бы нанести на график линию переменных расходов, выбираем любой объем, предположим, 100 ед. и находим точку расходов, соответствующую этому объему: 61000,00*100 =6,10 млн.руб. проводим линию переменных расходов через точки 0 и А;

2) Что бы нанести линию постоянных расходов, отметим на оси ординат точку соответствующую 10614,00х100=1,06 млнруб., а от точки 0 вверх отложим 1,06млн. руб. Проводим линию расходов параллельно линии переменных расходов. Эта линия показывает общую сумму затрат.

Чтобы нанести на график линию выручки, возьмем тот же условный объем продаж (100 ед.). Отметим точку, полученную от умножения цены единицы продукции на объем (70262,00руб * 100шт = 7,03млн.руб). Проводим линию выручки через точки 0 и 7036тыс. руб.

Критическая точка (точка перелома) образуется в месте пересечения линии выручки ОД и линии валовых (совокупных) издержек ВС. В точке критического объема производства К нет прибыли и нет убытка.

Слева от критической точки заштрихована область чистых убытков, которая образуется в результате превышения величины постоянных издержек над величиной маржинальной прибыли. Справа от нее заштрихована область чистых прибылей. Для каждого значения количества единиц продукции чистая прибыль определяется как разность между величиной маржинальной прибыли и постоянных издержек.

Проекция точки К на ось абсцисс дает критический объем производства в физических единицах измерения (80шт.). Проекция точки К на ось ординат дает критический объем производства в стоимостном измерении (6млн. руб).

Приведенная графическая зависимость затрат, прибыли и объема продаж позволяет сделать важные для предприятия выводы:

- предприятие может получить прибыль (выручка за минусом постоянных и переменных издержек) лишь при условии реализации продукции большего объема, чем критическая точка К=80 штук;

- точка К, находящаяся на пересечении кривой валовых издержек и кривой выручки от реализации, называется критической точкой, при переходе через которую наступает окупаемость всех издержек и предприятие начинает получать прибыль;

- точка пересечения кривой постоянных издержек и кривой маржинального дохода показывает тот объем производства, после прохождения, которого наступает окупаемость постоянных затрат;

- с повышением цен на производимую продукцию минимальный объем производства, который соответствует критической точке, уменьшается, а при снижении цены -- возрастает;

- с увеличением постоянных расходов минимальный объем производства, соответствующий точке безубыточности, повышается;

- сохранение безубыточного объема производства при росте переменных расходов возможно при прочих равных условиях за счет увеличения минимального объема производства.

При проведении CVP-анализа условно принимается целый ряд допусков, которые ограничивают точность и надежность результатов анализа: объем производства равен объему продаж; цена за единицу продаваемого товара, а также доли переменных и постоянных издержек остаются неизменными; производится единственный вид изделия.

В заключении следует отметить, что СVР - анализ (анализ критической точки) отражает взаимосвязь затрат, объёма производства и прибыли, позволяющий сравнить различные варианты цен на продукцию и получение прибыли



5. Безопасность и экологичность проекта

5.1 Системный анализ надёжности и безопасности системы

Для повышения безопасности и надёжности (безотказности) работы разрабатываемого устройства необходимо эффективным образом проанализировать возможные аварийные ситуации и причины их вызывающие. И, как следствие, принять меры по предотвращению таковых.

Отказы разрабатываемого устройства носят стохастический характер, т.е. они могут проявиться или не проявиться. Поэтому в качестве адекватной оценки риска можно применять вероятность наступления нежелательного события, определяемую статистически.

Как пример ситуации отказа устройства управления УБП, возьмем случай выхода его из строя при использовании в системе обработки сигналов. При отказе устройства необходимая информация не будет поступать на микропроцессор, что в свою очередь приведет к необходимости повтора эксперимента.

Поскольку данная система представляет собой устройство обработки сигнала, очевидно, что наиболее неблагоприятной с точки зрения работоспособности будет ситуация отсутствия или искаженности информации. Причинами такого события могут быть как внешние, мало зависящие от нас, так и неисправности электрических схем самого устройства. Эти группы событий выделены ввиду резкого отличия причин, приводящих к их возникновению.

Исходя из вышеизложенного, в качестве головного события для анализа надёжности и безопасности разрабатываемого проекта рассмотрим событие «не работает блок управления гибридного автомобиля». Причины отказа блока управления гибридным автомобилем:

- нет напряжения питания

- повреждение платы устройства

- сбой работы микроконтроллера

Отсутствие напряжения питания может произойти по нескольким причинам.

1) Если сгорел предохранитель, в таком случае нужно его заменить, предварительно устранив причину выхода из строя предохранителя, которой может быть короткое замыкание электропроводки или неисправность стабилизатора напряжения.

2) Если предохранитель находится в рабочем состоянии, а питания всё равно нет, тогда возможен обрыв токоведущих проводов, который может быть вызван химическим воздействием (окисление проводов), термическим или механическим воздействием. В данном случае нужно восстановить целостность проводки путём пайки, при этом нужно также восстановить изоляцию в случае её разрушения во избежание короткого замыкания, либо замены оборванных проводов.

3) Если с проводкой всё в порядке, а устройство не включается, значит, имеются повреждения платы блока управления. Это может произойти при механическом воздействие на элементы, или выход из строя самих элементов платы при нарушениях правил эксплуатации прибора, перегрев элементов из-за естественного старения или нарушения температурного режима. Необходимо заменить вышедшие из строя детали на новые.

Повреждение платы устройства может произойти по причинам.

1) Если было механическое воздействие на плату, в таком случае назначается осмотр и дальнейшее выявление проблемы.

2) Если механического воздействия не было, а плата находится в нерабочем состоянии, тогда возможен выход из строя элементов платы вызванный или механическим воздействием, или перегревом.

3) Если механическое воздействие отсутствовало, то причиной отказа устройство является перегрев, вызванный либо нарушением температурного режима, либо естественным старением элементов схемы.

Сбой работы микроконтроллера может произойти:

1) микроконтроллер может выйти из строя, если два или более вывода «ножки» каким-либо образом замкнуть (при условии, что эти выводы «ножки», программно задействованы как входы, либо на них подан сигнал от датчиков, или питание);

2) еще одной причиной может служить механическое воздействие на сам микроконтроллер. Чтобы не допустить этого, нужно располагать микроконтроллер в отдаленных от нагрузок местах.

3) микроконтроллер может выйти из строя если на него подать питающее напряжение больше положенного напряжения, это может произойти в случае замыкания проводов, а также при подключении программатора, в том случае, когда прибор подключён к бортовой сети автомобиля. Чтобы не допустить этого рекомендуется отключать устройство от бортовой сети.

Рисунок 5.1 - Дерево причин отказов

К дефектам, которые могут возникнуть в процессе сборки, относятся: удар, перегрев, обрыв, электрический пробой статическим электричеством и другие. К нарушениям правил эксплуатации относятся: несоответствие температурного режима, несоответствие климатической зоне, неноминальное питающее напряжение и т.п.

Необходимо также добавить сюда отсутствие сигнала на входе устройства парковкой автомобиля, что в свою очередь может быть вызвано, к примеру, отсутствием объекта наблюдения, то есть отказом датчика.

Результаты анализа возможных источников отказа устройства представлены в виде "дерева причин отказов" на рисунке 5.1

5.2 Разработка мероприятий по повышению надежности и безопасности

На основе выше изложенного при разработке, установке и эксплуатации устройства необходимо выполнять следующие мероприятия по повышению надежности разрабатываемой системы.

Рассматривая опасность выхода из строя элементов УБП из-за их перегрева, надо предусмотреть не только охлаждение устройства в условиях естественной конвекции и применением теплоотводов на функциональных узлах, но и выбрать такую элементную базу, которая бы выдерживала значительные перепады температур, особенно с ее повышением в более жарких регионах.

Для защиты от перепада напряжения необходимо воспользоваться сетевым фильтром и стабилизатором питающего напряжения с защитой от короткого замыкания, также необходимо предусмотреть наличие плавкого или самовосстанавливающегося предохранителя в цепи питания.

Неисправности, причинами которых является обрыв сетевого кабеля можно устранить путем прокладки данного кабеля в местах, где может присутствовать механическое воздействие местах таким образом, чтобы минимизировать возможность механических повреждений (изгиб, натяжение), например в полу автомобиля.

Такая ситуация как отсутствие питающего напряжения предотвращается регулярной проверкой состояния проводов питания, проведением технического осмотра УБП, а также слежением за исправностью электропроводки.

Организационные мероприятия. Персонал для работы над сборкой, монтажом и наладкой блока управления готовится специально. К работе могут быть допущены лица, достигшие 18-летнего возраста, прошедшие медицинскую комиссию и имеющие удостоверение на право производства работ. Для персонала, непосредственно работающего в электроустановках, производится повторная проверка знаний раз в год.

Для безопасности работ в электроустановках осуществляются организационные мероприятия. Организационными мероприятиями являются:

- допуск рабочих, квалификационная группа которых не ниже 3;

- инструктаж по технике безопасности;

- оформление перерывов в работе, переводов на другое рабочее место, окончания работы.

Гигиенические мероприятия. На рабочих местах большое значение отводится созданию комфортных условий труда, которые обеспечиваются параметрами микроклимата и степенью запыленности воздуха.

Местная вытяжная вентиляция предназначена для удаления воздуха непосредственно от мест образования или выхода вредных выделений, приточная - для подачи воздуха на определенные рабочие места или участки

Светотехнические условия являются важнейшим фактором при работах, требующих зрительного напряжения. Выполняемые в лаборатории работы относятся к III разряду зрительных работ (размер объекта 2-4 мм). Согласно требованиям СНиП 23-05-95 необходимая освещенность рабочего места для III разряда зрительных работ должна составлять не менее 300 лк. При работе в дневное время суток используется естественное боковое освещение, т.е. через светопроёмы (окна) в наружных стенах. Свет в лаборатории проникает через оконные проемы общей площадью 6м2. В

В вечернее время используется система общего искусственного освещения, состоящая из шести светильников типа ШОД с лампами ЛБ-80 и ЛДЦ-80, размещенных в два ряда группами по четыре лампы на высоте 3,5 м от пола.

Так как работы производятся в основном в светлое время суток, то рассмотрим естественное освещение помещения лаборатории.

Естественное освещение характеризуется коэффициентом естественной освещенности (КЕО) (е), который представляет собой отношение освещенности естественным светом какой-нибудь точки внутри помещения к значению наружной освещенности горизонтальной поверхности, освещаемой светом полностью открытого небосвода и выражается в процентах:

е = (Евн/Енар)*100 %;

где Евн - освещенность какой-либо точки внутри помещения;

Енар - освещенность точки вне помещения.

Чтобы снизить утомление глаз рекомендуется после каждого часа работы делать десятиминутный перерыв.

5.3 Пожарная безопасность при производстве и монтаже устройства

При монтаже и настройке устройств используются различные электрические приборы. При их не правильной эксплуатации появляется опасность возникновения чрезвычайной ситуации. В процессе работы с устройством существует опасность возникновения пожара. Причины пожара могут быть электрического и неэлектрического характера. К причинам электрического характера относятся:

1) искрение в электрических устройствах;

2) токи коротких замыканий, нагревающие проводники до высокой температуры, при которой может возникнуть воспламенение их изоляции, а также значительные электрические перегрузки проводов и обмоток электрических приборов;

3) плохие контакты в местах соединения проводов, когда вследствие большого переходного сопротивления выделяется большое количество тепла;

4) электрическая дуга, возникающая в результате ошибочных операций;

Причинами пожаров неэлектрического характера могут быть:

- Неисправность отопительных приборов и нарушение режимов их работы;

- Неисправность производственного оборудования и нарушение технологического процесса, в результате которого возможно выделение горючих газов, паров пли пыли в воздушную среду;

- Курение в пожароопасных помещениях;

- Самовоспламенение некоторых материалов.

Основными причинами пожара в устройстве является:

- нарушение технологического режима работы;

- неисправность электропроводки (старении или повреждение изоляции).

- для исключения появления короткого замыкания и перегрузки по току в блоке питания устройства предусмотрены:

- плавкий предохранитель в цепи питания 12 в;

- микросхема с автоматической защитой от перегрузок kp142eh5a(5 b).

Данное помещение по пожарной опасности согласно НПБ105-03 должно иметь категорию В- производства, связанные с обработкой сгораемых веществ в холодном состоянии. Степень огнестойкости основных строительных конструкций по СНиП 2.27-07-97* равна 3.

Защита сети от короткого замыкания обеспечивается реле и установочными автоматами. Необходимо также предусмотреть выключатели для отключения питания всех приборов в лаборатории. При перегрузке наиболее эффективными являются автоматические схемы защиты, теплое реле и плавкие предохранители.

Технологические операции (например, пайка, лужение горячим припоем, обжигание концов монтажного провода) проводятся с использованием ЛВЖ (этилового спирта, ацетона, скипидара) и при повышенной температуре.

Во избежание пожара электрические паяльники должны обеспечиваться специальными термостойкими подставками. Обжигание изоляции концов проводов должно производиться в несгораемом вытяжном шкафу. ЛВЖ следует хранить в посуде с герметичными крышками (пробками). Посуду открывают только в момент пользования. Количество ЛВЖ не должно превышать суточную потребность. Вентиляция рабочего места позволяет уменьшить концентрацию в воздухе легковоспламеняющихся веществ. Вентиляционная система должна иметь устройства, преграждающие при возникновении пожара возможность распространения огня из одного этажа в другой или из одного помещения в другое.

Готовая продукция, оборудование, тара и другое имущество должно находиться на определенных местах.

Курение допускается только в специально отведенных местах или комнатах обозначенных соответствующими надписями и обеспеченных урнами с водой.

В лаборатории должна быть вывешена табличка с указанием фамилий и должности лиц, ответственных за пожарную безопасность.

Коридоры, проходы, основные и запасные выходы, тамбуры, лестничные клетки должны постоянно содержаться в исправном состоянии, ничем не загроможденные, а в ночное время освещаться.

Энергоснабжение помещений осуществляется от трансформаторной станции. На трансформаторных подстанциях особую опасность представляют трансформаторы с масляным охлаждением. В связи с этим предпочтение следует отдавать сухим трансформаторам.

Для быстрого вызова городской пожарной части, в случае возникновения пожара, в лаборатории должны быть средства связи. Весь пожарный инвентарь, противопожарное оборудование и первичные средства пожаротушения должны содержаться в исправном состоянии, находиться на видном месте и к ним в любое время суток должен быть обеспечен беспрепятственный доступ. Все стационарные и переносные средства пожаротушения должны периодически проверяться и испытываться.

Для тушения пожара в лаборатории имеется огнетушитель ОУ-2 ТУ27-4563-79, который предназначен для тушения небольших очагов пожара. Огнетушители подвергаются периодической проверке и перезарядке.

При возникновении пожара в необходимо немедленно выключить электропитание лаборатории рубильником и воспользоваться огнетушителем. Также используются ряд других первичных средств пожаротушения, таких как песок, багры, ведра, находящиеся на пожарных щитах или возле них.

Организационные мероприятия по пожарной профилактике проводят с целью обеспечения правильной эксплуатации и проведения противопожарного инструктажа среди оперативно - ремонтного персонала.

При возникновении пожара, помимо принятия мер по его ликвидации, необходимо осуществить эвакуацию рабочего персонала из опасной зоны.

Основными причинами возгораний в работающем приборе УБП являются перегрузка проводов, короткое замыкание, искрение.

5.4 Защита окружающей среды

При изготовлении устройства применяются следующие технологические процессы: обработка фольгированного стеклотекстолита и металлов, изготовление печатных плат, (фотолитография, травление), покрытие лаком печатных плат, монтаж электрических соединений блока методом пайки.

Все эти процессы влияют на состояние окружающей среды, тем или иным способом загрязняя ее. Так при механической обработке в почву могут попадать стружки куски текстолита и другие твердые частицы.

При изготовлении печатных плат используется сильно дейсвующие ядовитые вещества (хлорное железо), различные растворители для очистки уже готовых плат. А так как большинство веществ находится в жидком состоянии, то вероятность попадания этих веществ в воду, водопровод, канализацию и соответственно в какие-то водоемы, подземные источники, достаточно велика. Покрытие печатных плат различными лаками приводит к выделению в атмосферу вредных веществ.

Основным загрязнением при этом производстве являются пары свинца, выделяющиеся при пайке деталей. Для уменьшения этого фактора используем припой ПОС-60, который содержит 60% олова, остальные 40% свинец.

При разработке и эксплуатации данной системы опасности загрязнения экосистемы не возникает. Это возможно в силу того, что сопроцессорный модуль не выделяет вредных веществ, при своей работе не радиоактивен, уровень электромагнитного излучения не опасен для человека и природы.

На всех этапах изготовления изделия существует опасность загрязнения литосферы, т.к. данное производство не безотходное. При нарезке, пайке, травлении печатных плат, изготовление по покраске корпуса остаются отходы, содержащие свинец, олово и их соединения, органические горючие (обтирочные материалы, ветошь, обрезки пластмасс, оргстекла, остатки лакокрасочных материалов), которые необходимо складировать в определенном месте и в дальнейшем отправлять на переработку на полигон. Переработку промышленных отходов производят в соответствии с требованиями СНиП 2.01.28-85 и предназначенных для централизованного сбора, обезвреживания и захоронения токсичных отходов.

Вывод. При рассмотрении влияния разрабатываемого прибора на окружающую среду были приняты следующие меры:

При изготовлении прибора:

- отстаивание, нейтрализация, фильтрация жидких растворов;

- использование фильтров Петрянова;

- при эксплуатации прибора:

- нет вредных воздействий на окружающую среду;

- при утилизации

- переплавка

- пиролиз.



Заключение

Тема дипломного проекта связана с разработкой системы управления режимами движения гибридного автомобиля, предназначенной для более рационального использования затрачиваемой энергии в разных режимах движения, что приводит к экономии топлива, а так же повышению экологичности автомобиля.

В ходе выполнения дипломного проекта были рассмотрены существующие гибридные схемы, выделены основные компоненты и принцип работы. Был проведен анализ в ходе которого предложена последовательно-параллельная гибридная схема.

На основе анализа технического задания произведен выбор основных силовых агрегатов для гибридной силовой установки. Разработана структурная и принципиальная электрическая схемы системы управления. Составлен алгоритм режимов движения гибридного автомобиля. Сделана модель в программе SIMULINK последовательно-параллельной схемы гибридного автомобиля.

Рассмотрены вопросы технико-экономического обоснования проекта, вопросы безопасности и экологичности проекта.



Список литературы

1 Разработка гибридной силовой установки// [Электронный ресурс].

URL: http://www.turbo-electric.com

2 Гибридная силовая установка автомобиля как объект управления// [Электронный ресурс]. URL: http://cyberleninka.ru

3 Схемы подключения силовых агрегатов// [Электронный ресурс]. URL: http://systemsauto.ru

4 Системы управления гибридными силовыми установками// [Электронный ресурс]. URL: http://www.hcars.ru

5 Исследование устройства и принципа работы последовательно-параллельной гибридной силовой установки// [Электронный ресурс]. URL: http://www.rae.ru

6 Бахмутов С.В., Селифонов В.В. Экологически чистый городской автомобиль с гибридной силовой установкой. НТП «Вираж-центр», 2001, №

7 Карунин А.Л., Бахмутов С.В., Селифонов В.В., Круташов А.В., Баулина Е.Е., Капухин К.Е., «Экспериментальный многоцелевой гибридный автомобиль», 2006г, №3.

8 Сериков С.А., Бороденко Ю.Н.. «Синтез системы управления силовой установкой гибридного автомобиля», 2007г, Вып. 36.

9 Сериков С.А. «Оптимизация управления перераспределением мощности между агрегатами гибридной силовой установки», 2008г, с. 525 - 528.

10 Лобов Н.В., «Концепция стенда гибридной силовой установки», Вестник ПГТУ, 2010, №1, с. 59-65.

11 Реферативный журнал «Потребитель. АвтоДела», 2009г, с. 68-75.

12 ГОСТ 2.102-68. Виды и комплектность конструкторских документов

13 ГОСТ 2.104-68. Основные надписи.

14 ГОСТ 2.105-95. Общие требования к текстовым документам

15 ГОСТ 2.109-73. Основные требования к чертежам.

16 ГОСТ 2.316-68. Правила нанесения на чертежах надписей.

17 ГОСТ 2.321-84. Обозначения буквенные.

18 ГОСТ 2.414-75. Правила выполнения чертежей жгутов, кабелей.

19 ГОСТ 2.601-95. Эксплуатационные документы.

20 ГОСТ 2.417-91. Платы печатные. Правила выполнения чертежей.

21 ГОСТ 2.701-84. Схемы. Виды и типы. Общие требования.

22 ГОСТ 2.702-75. Правила выполнения электрических схем.

23 ГОСТ 2.705-70. Правила выполнения электрических схем обмоток и изделий с обмотками.

24 ГОСТ 2.710-81. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах.

25 Мукосеев В.В., Сидоров И.Н. Маркировка и обозначение радиоэлементов. - М.: МРБ. 2003.

26 Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. - Спб.: КОРОНА. 1998.

27 Цифровые интегральные микросхемы: Справ. / М. И. Богданович, И. Н. Грель, В. А. Прохоренко, В. В. Шалимов. - Мн.: Беларусь, 1991.- 493с.

28 Методические указания по выполнению технико-экономического обоснования разработок квалификационных работ. Маркетинговый подход. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. - 36 с.

29 Автомобильный справочник. Перевод с англ. - М.:Издательство «За рулем», 2000. - 896 с.

30 Соснин Д. А. Автотроника. Электрооборудование и системы бортовой автоматики современных легковых автомобилей. СОЛОН-Р, 2003.-272 с.

Размещено на Allbest.ru