Анализ энергетических режимов (начало)

Нефтяные топлива как источник энергии обладают очень высокими удельными характеристиками: в частности, в 1 кг бензина содержится 11,6 кВт-ч энергии. Аккумуляторы любых возможных электрохимических систем имеют теоретический запас энергии примерно в 6-10 раз меньший. По этой причине вопросы рационального использования имеющейся на электромобиле энергии являются важнейшими для тяговых электрических систем любых типов.

Заметим, что электрические тяговые системы имеют гораздо меньшие потери энергии, чем системы с тепловыми двигателями, в том числе и с двигателями внутреннего сгорания. Коэффициент полезного действия существующих тепловых двигателей составляет 25-30 %, поэтому только около 3 кВт ч/кг исходной удельной энергии топлива полезно используется на выходе двигателя.

Степень полезного использования энергии электрохимического аккумулятора (при современном состоянии техники) может быть гораздо выше, а достигнутый уровень КПД электродвигателей составляет 85-90 %. Таким образом, уровень полезно используемой удельной энергии электрохимических источников может достигнуть 25-30 % от приведенной выше величины на выходе теплового двигателя. Этот ориентировочный подсчет показывает, что, существенно проигрывая в исходной теоретической энергии энергоносителя, электрические тяговые системы могут отчасти компенсировать это при реализации имеющихся возможностей более эффективного ее использования. Это обстоятельство имеет важное значение для оценки перспектив развития электрических тяговых систем, а также для правильного подхода к их созданию.

В основу исследования энергетики тяговых систем положен метод баланса энергии. Из анализа конструкций и схем тяговых систем электромобилей, приведенных в предыдущих разделах, следует, что любая тяговая система состоит из следующих энергетических модулей, осуществляющих последовательное преобразование энергии: тяговой аккумуляторной батареи Б, контроллера (устройства управления, включая и силовой преобразователь, если таковой имеется) К, тягового электродвигателя М, трансмиссии ТР. Энергетическая диаграмма в общем виде показана на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Энергетическая диаграмма электромобиля

Эта диаграмма иллюстрируе следующее уравнени баланса энергии:

(3.19)

где WБ - энергия аккумуляторной батареи; WP - энергия рекуперации; , , , - потери энергии в модулях тяговой системы - батарее, контроллере, электродвигателе, трансмиссии; , -составляющие потерь энергии при движении, затрачиваемые на трение качения и аэродинамические потери энергии соответственно.

Кроме того, на рис. 3.11 показаны: , , -энергия на входе соответствующих модулей тяговой системы; Wд - энергия, необходимая для движения; WH - накопленная при движении энергия.

Верхняя ветвь энергетической диаграммы отображает режим движения электромобиля, при котором все составляющие расхода энергии покрываются за счет энергии батареи. Нижняя ветвь диаграммы условно показывает путь энергии и ее потери при возврате энергии в батарею. Чаще всего в каждый момент времени существует только одно из указанных двух направлений передачи энергии, что соответствует основным энергетическим режимам: потребления энергии батареи, который назовем для краткости тяговым; возврата энергии в батарею, или иначе - рекуперации.

Кроме основных режимов, существует еще ряд энергетических режимов. Если энергия батареи не потребляется, т. е. WB = О и возврат энергии также отсутствует, т. е. WP = 0, то потери энергии при движении покрываются за счет накопленной энергии и вместо выражения (3.19) имеем

(3.20)

Такой режим движения принято называть накатом.

Если к потерям энергии при движении добавить потери энергии в механических тормозах, отнеся их к потерям в трансмиссии при торможении , то получим уравнение баланса энергии в режиме механического торможения

(3.21)

Существуют еще два известных режима электрического торможения, при которых накопленная при движении энергия не возвращается в ее источник. В режиме динамического торможения энергия от батареи не потребляется и уравнение баланса имеет вид.

(3.22)

В режиме торможения противовключением дополнительно потребляется энергия от батареи

(3.23)

Хотя в настоящее время стремятся заменить режим торможения противовключением одним из более экономичных тормозных режимов, т. е. не связанных с отбором энергии из батареи, тем не менее в определенных специфических формах он может реально существовать. Например, в схемах тягового электропривода с тиристорными импульсными преобразователями от батареи может потребляться энергия, необходимая для коммутации тиристоров. Кроме того, от батареи также потребляется энергия, которая нужна для возбуждения двигателя, питания системы управления (контроллера) и т. п.

Заметим, что уравнения баланса энергии являются интегральными, т. е. в них рассматриваются процессы обмена энергией за какой-то промежуток времени или пути электромобиля. В связи с этим отбор энергии батареи на возбуждения тягового двигателя, питание системы управления и на прочие вспомогательные нужды может в среднем компенсироваться за счет других составляющих. Это позволяет не рассматривать без необходимости режим торможения противовключением.

Кроме баланса энергии принято в ряде случаев рассматривать уравнения баланса мощности, который является первичным по отношению к балансу энергии. Однако условия эксплуатации городского транспорта характеризуются циклическими изменениями режимов движения транспортных средств. В связи с этим практически большую ценность представляет баланс энергии, составляемый для определенного расчетного цикла движения. Описание стандартизованных циклов движения электромобилей приводится ниже.