Гибридная система автобусов
Гибридная система |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Полная статья:
Эта информация будет использоваться для создания простой модели потребления топлива автобусом. Указанная модель поможет найти ответ на некоторые вопросы, касающиеся оптимизации серводвигателя, позволяющей достичь максимальной экономии топлива и денег. В настоящей работе будет введено несколько понятий, прежде чем свести в единое целое полную модель автобуса. На основании того, что даст нам эта модель, мы сделаем заключение. Общие сведения о гибридном автобусе Кинетический момент автобуса постоянно изменяется по мере его движения по маршруту, посадки и высадки пассажиров. Кинетический момент автобуса возрастает при разгоне автобуса от низкой скорости до высокой. Возрастание кинетического момента автобуса есть результат работы, выполняемой дизельным двигателем. Дизельные моторы потребляют топливо с определенной скоростью и преобразует энергию топлива в механическую энергию. При переходе автобуса с высокой скорости на низкую изменение кинетического момента автобуса преобразуется в тепло посредством приведения в действие тормозной системы. Любая стандартная коррекция скорости, обусловленная поворотом, стартом и остановкой, или просто адаптацией к скорости движения транспортного потока, вызовет изменение кинетического момента автобуса. Каждый цикл изменения кинетического момента при переходе от низкой скорости к высокой и обратно приводит сначала к сжиганию топлива для разгона автобуса, а затем к преобразованию кинетического момента в использованное тепло тормозных колодок. Иначе говоря, каждая регулировка скорости потребляет топливо и поэтому стоит денег. В схеме гибридного автобуса тяговый серводвигатель используется для развития ускорения автобуса от напряжения аккумулятора. В последовательном гибриде серводвигатель полностью выполняет задачу разгона автобуса. В параллельном гибриде серводвигатель помогает дизельному двигателю разогнать автобус. Основным отличием между традиционной чисто дизельной схемой и гибридной схемой является то, что в последней тяговый серводвигатель также используется для уменьшения кинетического момента автобуса при изменениях скорости. Энергия, поглощенная при разгоне, накапливается в батарее конденсаторов или в аккумуляторе. Во время следующего цикла разгона энергия, поглощенная ранее и хранящаяся в аккумуляторе, вновь преобразуется в кинетический момент автобуса. Принцип повторного поглощения энергии Процесс повторного поглощения энергии при помощи системы серводвигателя оказывается простым и эффективным. Однако эффективная скорость поглощения ниже, чем можно себе представить. Рассмотрим средние значения КПД элементов, представленные в таблице 2. Заметим, что среднее значение КПД может значительно отличаться от «пикового» КПД, которое зачастую декларируется производителем элемента. Например, серводвигатель имеет низкий КПД, если перед ним стоит задача создавать большой вращающий момент на малой скорости, а усилитель потребляет ватты, даже если заданное значение тока двигателя равно нулю. Поэтому КПД двигателя в таблице 2 не является пиковым; это средний КПД двигателя в рабочем диапазоне, учитывающий, в том числе, работу двигателя с малой скоростью и большим вращающим моментом.
Предположим, что автобус замедляется от высокой скорости Vhigh до низкой Vlow из-за изменения скорости движения транспортного потока. В процессе регулировки оборотов энергия, содержащаяся в кинетическом моменте автобуса, изменяется. Изменение кинетической энергии можно вычислить из скорости и массы автобуса, как показано в уравнении. Однако если автобус заканчивается на другой высоте, может потребоваться учесть также потенциальную энергию автобуса; но мы для упрощения понятий не будем учитывать потенциальную энергию.  Система тягового серводвигателя будет пытаться вновь использовать это изменение энергии по мере замедления автобуса. Через некоторое время автобус будет перестраивать скорость обратно с низкой на высокую. Тяговая система будет повторно использовать поглощенную энергию для возврата автобуса к первоначальной скорости. На рисунке 1 представлено упрощенное схематическое изображение системы. Используя очень упрощенную модель, представим повторно поглощенную энергию. Если мы воспользуемся коэффициентами полезного действия из таблицы 2, то повторно поглощенная энергия, Er , будет вычисляться как указано в уравнении.  Обратите внимание, что было возвращено только 77,5% энергии. Если мы теперь направим энергию обратно в кинетический момент автобуса с тем же уровнем КПД, при котором мы ее поглотили, количество энергии, преобразованной обратно в кинетический момент, будет равно лишь 60% (60% = 0,775*0,775*100%). Поскольку КПД при поглощении и повторном использовании энергии не равен 100%, требуется подать какую-то внешнюю мощность во время разгона, для того чтобы сохранить первоначальную скорость. Это изображено на Рисунке 1 входной мощностью. КПД нашей сервосистемы важен. Наличие простого метода измерения КПД может дать ценную информацию. Зная массу автобуса, скорость автобуса и измерив дополнительную входную мощность во время ускорения, можно определить КПД всей системы, даже не имея данных о том, сколько энергии было поглощено и использовано повторно. Нам даже не нужно знать КПД отдельных элементов. Ниже будет приведен вывод формулы. Измерение КПД системы Предположим, что e - КПД преобразования электрической энергии в кинетическую энергию автобуса, включающий в себя КПД двигателя, усилителя, накопительного устройства и приводного механизма. Внешняя мощность, поступающая в сервосистему со временем, плюс вклад возвращенной энергии Er умноженной на КПД,e , будет равняться изменению кинетического момента автобуса. Это отношение представлено в уравнении. Уравнение справедливо для одного полного цикла изменения кинетического момента от высокой скорости до низкой, и затем при возврате к первоначальной высокой скорости.  Также заметим, что в течение цикла повторного поглощения энергии потребляемая извне входная мощность равна нулю, и что повторное преобразование энергии кинетического момента автобуса в электрическую энергию происходит с КПД, равным e . Это приводит к тому, что данное уравнение можно записать иначе. Предположение о том, что входная мощность равна нулю на протяжении повторного поглощения, на самом деле не обязательно; оно сделано для упрощения математических выкладок; результат уравнения тот же даже при ненулевой входной мощности повторного поглощения.  Математическое преобразование этого уравнения приводит к следующему уравнению. Мощность Параметр L определяется как энергетический рычаг. Энергетический рычаг системы, эффективно поглощающей и использующей энергию повторно – это число больше единицы. Энергетический рычаг – это изменение кинетической (и потенциальной) энергии автобуса, деленное на полезную энергию, потребляемую за полный энергетический цикл. Энергетический цикл определяется как изменение скорости от 1 V до 2 V и затем обратно до 1 V . Если вдуматься в структуру уравнения, оказывается, что мы имеем систему, в которой мы получаем больше выделенной энергии, чем вкладываем.  Фактически, это так и есть, т.к. часть входной энергии мы поглощаем и используем повторно. Хорошим примером служит маятник: он имеет очень большое значение энергетического рычага, потребляет за один цикл малое количество энергии и обычно поддерживает намного большее изменение кинетической энергии на протяжении того же самого цикла. Процесс измерения КПД системы будет довольно простым: прогоним автобус через несколько скоростных циклов по ровной поверхности, контролируя и записывая значение энергии, подаваемой на привод серводвигателя от внешнего источника питания; оно равно Pin . (Однако это будет целесообразным лишь для последовательного гибрида, т.к. ДВС отделен от системы.) Энергетический рычаг вычисляется из левой части уравнения. Правая часть уравнения разрешается для e, как показано в уравнении. КПД вычисляется из уравнения.  КПД сервосистемы будет очень важным. В конечном итоге он будет отвечать за значительную часть общей экономии топлива. Уравнения также можно использовать для определения теоретического КПД той же самой системы. Далее в настоящей работе определяется средний КПД серводвигателя; для определения теоретического КПД используется метод энергетического рычага. Далее будет разработана простая модель, которая будет использоваться как средство для определения долларовой стоимости процента КПД. В качестве отправной точки используются значения из таблицы 1. Принятые для нашего автобуса допущения представлены в таблице 2. Наш автобус будет весить 40000 фунтов (20 тонн), иметь дизельный двигатель со средним КПД 20% и экономить 2,4 миль/галл. топлива на скоростной магистрали (1,7 миль/галл. в городе).
Предполагается, что модель автобуса, рассматриваемая в настоящей работе, используется главным образом в городе, при очень частой посадке и высадке пассажиров. Не имея реальной схемы движения городского автобуса на протяжении его 300 000-мильного пути, будут сделаны некоторые упрощающие допущения. Читать далее: КПД топлива в гибридных системах Источник: usp-ltd.com.ua Статьи схожей тематики:
Система привода и управления ветровой турбины
Электрогидравлические системы с регулируемыми моторами
Пневматика Parker. Электрогидравлические и пневматические системы Parker |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
