Анализ энергетических режимов (продолжение)

Наиболее применяемым для городских электромобилей в настоящее время является стандартный испытательный цикл SAE/ 227, а «С» или близкий к нему 500-метровый цикл НАМИ. Поэтому сравнение характеристик тяговых систем и их анализ целесообразно проводить именно для этого цикла, который для краткости в дальнейшем будем называть просто циклом «С». Для цикловых расчетов уравнение баланса энергии дает значительно больше информации, чем уравнение баланса мощности; кроме того весьма важным показателем для сравнения различных электромобилей является удельный расход энергии за цикл, в частности для цикла «С» имеем

(3.24)

где G — полная масса электромобиля, т; Lc — пробег за цикл движения, км; WБ — потребление энергии от батареи за цикл, Вт*ч.

Рассмотрим составляющие баланса мощности и баланса энергии.

Мощность, соответствующая потерям энергии на трение качения , обычно определяется в виде

(3.25)

где — скорость движения, м/с; f — коэффициент сопротивления качению, который при скоростях движения меньше 60—80 км/ч можно считать постоянным и равным для дорог с асфальтовым покрытием 0,012—0,018.

Мощность, соответствующая аэродинамическим потерям энергии при движении, определяется по формуле

(3.26)

где kB — коэффициент обтекаемости, Н*с2/м2; FB — лобовая площадь транспортного средства, м2.

Заметим, что при наличии ветра попутная составляющая его изменяет величину аэродинамических потерь согласно выражению

Мощность, идущая на накопление кинетической энергии электромобиля, определяется в виде

(3.27)

где — коэффициент учета вращающихся масс (определяется путем приведения к скорости поступательного движения); j — ускорение (или замедление) электромобиля.

Изменение потенциальной энергии, запасаемой при движении электромобиля на подъем, часто не учитывается, или учитывается только в виде потерь энергии при движении на подъем. Однако для циклических режимов и внутригородских замкнутых маршрутов мощность, затрачиваемая при движении на подъем, на уклоне будет движущей, т. е.

(3.28)

где — угол подъема.

Потери энергии в тяговой системе за расчетный цикл «С» отличаются для разных типов тяговых систем и являются, таким образом, характеристикой энергетического качества тяговой системы. Методы расчета потерь в электродвигателях, устройствах управления (в частности, в статических преобразователях, аккумуляторных батареях и элементах трансмиссии) изложены в специальной технической литературе достаточно подробно. В связи с этим ограничимся рассмотрением только результатов расчетов для некоторых типов тяговых систем данных испытаний электромобилей с различными тяговыми системами и общим анализом энергетических характеристик.

Сводные экспериментальные характеристики удельных потерь при движении по циклу «С», полученные выборкой из наиболее достоверных результатов испытаний электромобилей различных типов, приведены в табл. 3.7. Эта таблица дает сравнительное представление об энергетических качествах различных электромобилей в целом. Однако обращает на себя внимание такое обстоятельство: удельные потери энергии при цикловом движении имеют гораздо больший разброс, чем приводимые в таблице данные по удельному расходу энергии в режиме постоянной скорости движения 40 км/ч (wM). Даже если считать, что экспериментальное определение запаса хода для циклового режима сопряжено с большими погрешностями, чем для режима постоянной скорости (из-за более сложной методики и техники испытаний), то и в этом случае различия в удельных показателях имеют объективные основания. Анализ этого различия представляет интерес с точки зрения совершенствования тяговых систем и их элементов.

Очевидно, что для уменьшения удельного расхода энергии на движение необходимо тщательное изучение всех компонентов конструкции электромобиля, в том числе определяющих аэродинамическое сопротивление, сопротивление качению и др. Однако для выявления путей совершенствования тяговых систем целесообразно остановиться на таких вопросах, как относительные возможности электрического рекуперативного торможения, а также сравнительная роль отдельных агрегатов тяговой системы в общем расходе энергии.

Для этого предварительно определим составляющие расхода энергии по циклу «С>, которые, в принципе, не зависят от тяговой системы.

Такой составляющей является прежде всего кинетическая энергия согласно выражению (3.27). Далее к числу таких составляющих можно отнести энергию движения при установившейся скорости

(3.29)

а также при движении канатом

(3.30)

Здесь и далее временные интервалы обозначены в соответствии с принятыми для стандартного цикла.

Энергия, затрачиваемая на движение экипажа при разгоне и торможении, зависит от характера изменения скорости = (t) на этих интервалах. Будем пока считать, что закон изменения скорости в цикле — линейный.

Затраты энергии на движение при разгоне

(3.31)

при торможении

(3.32)

Очевидно, что для каждого электромобиля может быть определена величина расхода энергии на движение за цикл «С» по формуле

(3.33)

Эта сумма представляет некоторую оценку предельных для данного электромобиля затрат энергии при полном использовании (рекуперации) накопленной (кинетической) энергии. Соответственно можно определить удельные затраты энергии

(3.34)

Для сопоставления определим затраты энергии на движение без рекуперации, однако учтем при этом, что движение накатом совершается за счет запаса кинетической энергии. В этом случае

(3.35)

и удельные затраты энергии

(3.36)

Имея данные из выражений (3.34) и (3.36), можно определить значение рекуперации энергии для данного электромобиля, а сравнивая эти величины с показателями удельного расхода энергии для электромобиля в целом, например из табл. 3.7, найти относительное качество тяговой системы.

Таблица 3.7

Характеристики удельных потерь электромобиля при движении по циклам «С» и НАМИ

Примечание. В таблице приведены обозначения: н-ж — никель-железная; св-к — свинцово-кислотная.

В качестве примера, имеющего и самостоятельное значение, ниже приведены данные по расчетным значениям расхода энергии на движение для электромобиля УАЗ.

Затраты энергии, Вт*ч:

Удельный расход, Вт*ч/(ткм):

Из приведенных выше данных следует, что накопленная электромобилем кинетическая энергия при движении по циклу «С» достаточно велика и соизмерима с расходом энергии на движение. Это означает, что использование энергии за счет принятия ряда специальных мер по ее рекуперации, в том числе требующих дополнительных затрат, имеет по меньшей мере энергетическое обоснование. Экономическое обоснование этих затрат также возможно, но требует дополнительных характеристик тяговой батареи.