Теоретическое исследование зависимости потребления электроэнергии электромобилем от внешних факторов

На сегодняшний день в России остро стоят вопросы повышения эффективности эксплуатации транспортных средств и уменьшения вредных выбросов в крупных городах страны. Поэтому переход на использование альтернативных источников энергии для автомобилей является актуальным. Наиболее перспективными для замены традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания являются электромобили, которые имеют нулевой уровень выбросов вредных веществ при эксплуатации.

Для определения показателей эффективности эксплуатационные характеристики электромобилей сравнивают с традиционными автомобилями, использующими углеводородное топливо [1]. Двигатели внутреннего сгорания имеют наибольшие потери энергии, в сравнении с электрическими силовыми установками.

Современные двигатели внутреннего сгорания обладают невысоким коэффициентом полезного действия 30-35%, поэтому величина удельной энергии топлива, используемой на выходе, составляет 3 кВт·ч/кг. При современном состоянии техники, степень полезного исполь- зования энергии электрохимического аккумулятора достигает больших значений. Следовательно, КПД электрических силовых установок находится в районе 90% [2]. Таким образом, уровень полезно используемой удельной энергии электрохимических источников может достигнуть 25–30 % от приведенной выше величины на выходе теплового двигателя.

Процессы энергопреобразования в системе тягового привода электромобиля имеют реверсивный характер. В фазах установившегося движения и разгона применяется прямой процесс преобразования энергии (электрической энергии в механическую). Данный процесс реализуется для преодоления сил сопротивления движению и достижения заданного ускорения [3]. Для фазы рекуперативного торможения характерен обратный процесс энергопреобразования (механической энергии в электрическую). Благодаря данному процессу повышаются динамические качества и улучшаются энергетические показатели. Разделение движения на ключевые фазы дает возможность обобщать установленные транспортные циклы как для аналитических исследований, так и для натурных испытаний тяговых систем на стенде и в дорожных условиях, а также систематизировать и решить общие уравнения (тягового, мощностного и энергетического балансов) движения электромобиля [4].

Уравнение мощностного баланса электромобиля определяется по формуле:

dV

P_k=F_KV = G^ + K_WV² + K j —) V, (1) где F_K - сила тяги на ведущих колесах, Н; G = тд — вес автотранспортного средства (АТС), кг • м/с; K_W = ^0,5СхР$/_тд — сила сопротивления       воздуха       m - масса АТС, кг;

д - ускорение силы тяжести (9,81 м/с2); Сх -коэффициент аэродинамического сопротивления, р- плотность, кг/м3; V- скорость движения АТС, м/с; S - площадь миделя АТС, м2; У = f cosa ± sina — коэффициент сопротивления дороги; Kj = ^/д сила инерции, Н; dV/^ — ускорение, м/с2.

По формуле (2) определяется мощностной баланс на валу тягового электродвигателя:

Р

М -£, ^ ТР

где   РМ – требуемая механическая мощность на валу тягового электродвигателя (ТЭД), необ- ходимая для преодоления сил сопротивления движения, кВт.

P k — тяговая мощность, подводимая к ведущим колесам, кВт;

?7ТР — КПД трансмиссии.

В рамках работы объектом исследования был выбран наиболее распространенный электромобиль Nissan Leaf 1 поколения (2013 – 2017 г.в.) с силовой энергетической установкой ЕМ57. Основные технические характеристики транспортного средства приведены в табл. 1.

Таблица 1 – Технические характеристики исследуемого Nissan Leaf

Электродвигатель	EM57
Мощность	80 кВт
Крутящий момент	254 Нм
Снаряженная масса	1460 кг
Полная масса	1735 кг
Ёмкость высоковольтной батареи	24 кВт*ч
Трансмиссия	Одноступенчатый редуктор
Передаточное число редуктора U КП	7,9377
Габаритные размеры кузова (Д x Ш x В)	4460 x 1770 x 1550 мм
КПД трансмиссии П тр	0,97
Лобовая площадь транспортного средства S	1,989 м2
Коэффициент аэродинамического сопротивления С х [5]	0,28
Коэффициент сопротивления качению [6]	0,0213

Структурная схема энергетической установки исследуемого электромобиля приведена на рис. 1.

В рамках проведения исследования был спланирован и проведен ряд имитационных однофакторных экспериментов в программном комплексе Microsoft Excel, которые показывают зависимость изменения мощности тягового электродвигателя от внешних факторов при движении в установившемся режиме.

В первом испытании была поставлена задача оценить изменение потребляемой мощности электродвигателем в зависимости от массы электромобиля. Минимальное значение массы было установлено на уровне снаряженной массы электромобиля – 1460 кг, максимальное – полная масса (1735 кг). Шаг расчета был принят 15 кг. При этом было принято, что факторы «скорость движения» и «угол наклона дорожного полотна» постоянны на заданном уровне (рис. 2).

Рисунок 1 – Структурная схема энергетической установки электромобиля Nissan Leaf

35,0

30,0

25,0

20,0

15,0

10,0

y = 0,1646x + 27,135

R2 = 1

y = 0,1346x + 17,417

R2 = 1

y = 0,1047x + 10,569

R2 = 1

О Lf) О Lf) О Lf) О Lf) О Lf) О Lf) ЮООхНСПЮООхНСПЮООхНСГ) '^'^(-ПкПкПкПЮЮЮЮГ'-Г'-

Масса электромобиля m, кг

Рисунок 2 – Зависимость мощности электродвигателя от массы электромобиля при движении на установившейся скорости:

1 – 70 км/ч; 2 – 90 км/ч; 3 – 110 км/ч

Проведенные расчеты указывают на изменения потребляемой мощности в зависимости от скорости движения. При этом масса незначительно сказывается на изменении мощности на валу электромотора (не более 10%).

Во втором испытании была проведена оценка изменения мощности на валу электродвигателя в зависимости от угла наклона дорожного полотна. Факторы «масса электромобиля»

и «скорость движения» были приняты постоянными на заданном уровне («масса» – 1465 кг, «скорость движения» – установившаяся на трех уровнях: 70 км/ч, 90 км/ч, 110 км/ч).

По результатам теоретического эксперимента определена линейная зависимость мощности электродвигателя от угла наклона дорожного полотна. При этом графики имеют большой угол наклона, следовательно, данный фактор значительно влияет на расход электроэнергии электродвигателем при его увеличении. Уравнения регрессии представлены на графике (рис. 3).

275,0

0         10         20         30

Угол наклона дорожного полотна, град.

Рисунок 3 – Зависимость мощности электродвигателя от угла наклона дорожного полотна при движении с различной скоростью:

1 – 70 км/ч; 2 – 90 км/ч; 3 – 110 км/ч

В ходе третьего эксперимента необходимо было установить зависимость изменения мощности двигателя от скорости движения, при этом масса электромобиля фиксировалась на постоянном уровне – 1460 кг, а угол наклона дорожного полотна изменялся на трех уровнях (рис. 4). Установлена полиномиальная зависимость третьей степени на всех уровнях изменяемого фактора.

1 – 0 град.; 2 – 15 град.; 3 – 30 град

285,0

260,0

235,0

210,0

185,0

160,0

135,0

110,0

85,0

60,0

35,0

10,0

y = 0,0017x3 + 0,0648x2 + 11,474x + 141,86

-------------R2 = 1      3

78,131

2    R² =

,0017x3 + 0,0648x2 + 6,5716x +

y = 0,0017x3 + 0,0648x2 + 1,2791x + 9,3285

R2 = 1

70 75 80 85 90 95 100 105 110

450,0

400,0

350,0 го

300,0 СП

250,0

200,0

150,0 н

100,0

50,0

0,0

m = 1735 кг y = 0,0133x3 + 5E-13x2 + 25,268x - 3E-1

R2 = 1

R2 = 1

y = 0,0133x3 + 13,617x - 2E-11

----------R2 = 1

Скорость движения электромобиля, км/ч

Скорость движения электромобиля, км/ч

Рисунок 4 – Зависимость мощности электродвигателя от скорости движения электромобиля при различных углах наклона дорожного полотна: 1 – 0 град.; 2 – 15 град.; 3 – 30 град.

На рисунках 5, 6, 7 изображены зависимости изменения мощности двигателя от скорости движения, при этом масса электромобиля изменялась на трех уровнях: 1460 кг (снаряженная масса); 1735 кг (полная масса); 1600 кг (нулевой уровень, средняя масса). Угол наклона дорожного полотна изменялся на трех уровнях.

375,0

350,0

325,0

300,0

275,0

250,0

225,0

200,0 ф

175,0

150,0

125,0

100,0

75,0

50,0

25,0

0,0

m= 1460 кг

Скорость движения электромобиля, км/ч

Рисунок 5 – Зависимость мощности электродвигателя от скорости движения электромобиля при различных углах наклона дорожного полотна:

Рисунок 6 – Зависимость мощности электродвигателя от скорости движения электромобиля при различных углах наклона дорожного полотна:

1 – 0 град.; 2 – 15 град.; 3 – 30 град m = 1600 кг

400,0

y = 0,0133x3 - 2E-13x2 + 23,302x -3E-

R2 = 1

350,0

300,0

200,0

150,0

100,0

50,0

250,y0= 0,0133x3 - 2E-13x2 + 12,557x

R2 = 1

0,0

Скорость движения электромобиля, км/ч

Рисунок 7 – Зависимость мощности электродвигателя от скорости движения электромобиля при различных углах наклона дорожного полотна: 1 – 0 град.; 2 – 15 град.;

3 – 30 град

В ходе эксперимента была построена поверхностная диаграмма (рисунок 8) для визуализации потребляемой мощности электродвигателем электромобиля при движении с различной скоростью при различных углах наклона дорожного полотна.

Рисунок 8 – Поверхностная диаграмма изменения потребляемой мощности электродвигателем электромобиля от внешних факторов: скорости движения, угла наклона дорожного полотна

По результатам проведенных исследований получены следующие выводы:

• 1.    Был проведен ряд однофакторных экспериментов для установления зависимости потребляемой мощности электродвигателя от внешних факторов при движении электромобиля в загородном режиме. Масса электромобиля незначительно влияет на изменение потребляемой мощности электродвигателем при эксплуатации в загородном режиме. При проведении натурного эксперимента данный фактор целесообразно принимать постоянным.

• 2.    Наиболее значимыми факторами являются скорость движения электромобиля и угол наклона дорожного полотна. Установлено, что зависимость потребляемой мощности электро-

• линейная. Получены уравнения регрессии на трех уровнях фактора «скорость движения».

• 3.    Влияние скорости движения на изменение потребляемой мощности электродвигателем полиномиальное третьей степени. При этом увеличение скорости движения транспортного средства с 10 до 150 км/ч приводит к увеличению потребляемой мощности двигателя на перемещение более, чем в 10 раз.

Направления дальнейших исследований необходимо связать с проведением натурного эксперимента и установления адекватности полученных результатов реальному объекту.