ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО Российский патент 2015 года по МПК B60L11/00 

Настоящее изобретение относится к области электрических транспортных средств (ЭТС) и может быть применено как на ЭТС с автономным источником питания, так и на ЭТС, связанных с внешним источником питания (в трамваях, троллейбусах или метро).

Более конкретно, изобретение относится к техническим решениям по повышению энергоэффективности управления работой ЭТС.

ЭТС содержит, как правило, обратимый бортовой источник питания, силовую тяговую установку и комплект аксессуаров.

Обратимый бортовой источник питания может быть выполнен в виде тяговой аккумуляторной батареи, может быть в совокупности с динамическим звеном - рекуператором с батареей суперконденсаторов; в виде топливных элементов или ДВС (двигатель внутреннего сгорания) с генератором или внешним источником питания, к которым для придания свойства обратимости может быть добавлен рекуператор с батареей суперконденсаторов. Силовая тяговая установка может быть выполнена в виде электрического мотора с передачей момента на ведущие колеса через механическую передачу с дифференциалом; или в виде безредукторных электродвигателей, связанных либо встроенных в ведущие колеса (мотор-колеса).

Комплект аксессуаров представляет собой набор устройств с электрическим питанием присущих современному транспортному средству: стеклоочистители, стеклоомыватели, стеклообогреватели, стеклоподъемники, кондиционер, радио- и/или телевизионный приемник, акустическая система и т.д.

Обязательным атрибутом транспортного средства (ТС) является информационная панель, предоставляющая водителю информацию о скорости, режиме работы основных узлов, наличии и расходе топлива или энергии.

Последнее обстоятельство является очень важным для электромобиля, особенно с бортовым источником питания на базе батареи ограниченной емкости. Если для ТС на жидком углеводородном топливе при отработанной эффективной системе измерения запаса топлива и развитой сети заправочных станций вопрос оценки потенциального пробега и дозаправки не является острым, то для ЭТС проблема оценки фактических затрат энергии и точного прогноза ожидаемого пробега на одной зарядке при неразвитой инфраструктуре зарядных станций является весьма актуальной.

Вычисление ожидаемого пробега на ЭТС, в отличие от ТС с ДВС, требует учета большого количества переменных, находящихся между собой в сложной связи.

Уже известны различные решения, направленные на повышение эффективности управления работой ЭТС.

Известно решение - патент US 8224561 - «Система для оказания помощи в экономичном вождении», которое может посоветовать водителю для достижения экономичного вождения путем отображения текущей экономии топлива соответствующей текущему состоянию вождения таким образом, что водитель может сравнить текущее состояние вождения с целевым тяговым состоянием для достижения оптимальной экономии топлива ТС. Рассматриваемая система содержит блок сбора информации о состоянии вождения ТС, блок памяти для хранения карты расхода топлива при различных дорожных условиях, при этом условия разбиты на несколько областей, представляющих собой различные уровни эффективности использования. Недостатками известной системы являются условность разделения режимов и сложность учета многообразия параметров и условий для обеспечения приемлемого качества.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является решение по патенту EP 2596977 - «Индикатор эффективности для ЭТС». В нем предлагается использование ряда моделей для расчета требуемых параметров. Предварительный расчет может быть произведен с использованием первой, упрощенной модели, затем может быть использована вторая, более сложная модель.

Алгебраическая сумма сил, действующих на ЭТС

$$F=F_{аэро}+K_{кач}+F_{дин}+F_{скат}=F_{дин}+F_{сопр}\left(1\right)$$

Где $$F_{аэро}=0.5\cdot Cd\cdot A\cdot \rho \cdot V^2\left(2\right)$$

- сила сопротивления воздуха плотностью ρ (кг/м³) при лобовой поверхности ТС

A (м²) с коэффициентом сопротивления (обтекаемости) Cd при скорости ТС V (м/с).

$$F_{кач}=C_2(V)\cdot m\cdot cG\cdot \cos \theta \left(3\right)$$

- сила сопротивления качению при коэффициенте трения качения С₂ (в общем случае зависящим от скорости V), массе автомобиля m (кг), гравитационной постоянной cG (9.8 м/с²) и уклоне дороги θ.

- сила, необходимая для преодоления инерции ТС с ускорением a (м/с²).

$$F_{скат}=m\cdot cG\cdot \sin \theta \left(5\right)$$

- скатывающая сила, обусловленная уклоном дороги.

F_доп - сила трения в трансмиссии (дифференциале) при ее наличии в ЭТС в механических тормозных системах и т.д.

На основании представленных уравнений (2-5) могут быть рассмотрены промежуточные величины и может быть рассчитана энергия, требуемая для колес для движения на интервале Δt.

$$W=F\cdot V\Delta tВтчас\left(6\right)$$

При этом величины (2-5) могут быть рассчитаны по отдельным субмоделям на основании внешних и внутренних параметров, измеренных с помощью датчиков внутри ЭТС (скорость, ускорение) и полученных от внешних измерителей (например, через системы GPS или ГЛОНАСС). Результаты расчетов по моделям предполагается использовать для прогнозирования ожидаемого пробега.

Недостатками известного решения являются сложность расчетов, требующих значительного машинного времени, и недостаточная точность получаемых результатов.

Величина силы сопротивления воздуха (2) зависит от плотности воздуха, которая в свою очередь зависит от высоты над уровнем моря, величины атмосферного давления и температуры окружающей среды, величины и направления ветра - попутный, встречный и т.д. Величина трения качения (3) зависит: от материала, степени износа и давления в шинах, которое также зависит от температуры окружающей среды; качества покрытия дороги и погодных условий (сухая, влажная дорога и т.д.), уклона дороги. Указанные параметры меняются непрерывно в процессе движения, и учесть это изменение в реальном времени с достаточной точностью невозможно.

Кроме того, энергия, требуемая для движения колес, связана с энергией, потребляемой от бортового источника питания через КПД энергосиловой установки (электропривода), величина которого, особенно в районе малых скоростей и моментов, является существенно нелинейной зависимостью от скорости и нагрузки.

Существенным недостатком известных ЭТС является также то, что на энергетические характеристики ЭТС влияет стиль вождения, а именно задаваемое ускорение.

Целью настоящего изобретения является устранение отмеченных недостатков известных устройств и повышение тем самым коэффициента эффективности использования энергии ЭТС.

Указанные цели достигаются в предлагаемом ЭТС. Оно содержит по крайней мере один электродвигатель, связанный с ведущими колесами ТС через механическую передачу или без нее, систему управления, включающую в себя один или несколько обратимых преобразователей, обеспечивающих регулирование скорости и/или момента указанного двигателя, обратимый бортовой источник питания, информационную панель.

Для преодоления суммы сил F (1), действующих на ЭТС, необходимо приложить механическую мощность $$P_{мех}=F\cdot V\left(7\right)$$ ,

где V - скорость движения ТС. При этом от бортового источника питания необходимо забирать при разгоне и установившемся движении электрическую мощность $$P_{элД}=P_{мех}/\eta \left(8\right)$$

и, соответственно, при рекуперативном торможении отдавать в источник $$P_{элТ}=P_{мех}\cdot \eta \left(9\right)$$ ,

где η=f(M_Σ; V_i) - КПД электропривода.

Определим значение коэффициента удельного расхода энергии A=P_эл·Δt при проезде расстояния ΔL:

$$K_{уд}=A_i/\Delta L_i=P_{эл}\cdot \Delta t/\Delta L_i=P_{эл}/V_i\left(10\right)$$

На фиг.1 предоставлены зависимости (10) удельного расхода энергии от скорости ЭТС для ряда значений ускорений (2; 1; 0,5; 0; -1; -2) м/с².

Как видно из представляемых кривых, в средней части диапазона 30-60 км/ч значение K_уд незначительно зависит от скорости и возрастает в начале и конце диапазона. Возрастание в начале при малых скоростях обусловлено низким значением КПД электропривода, при больших скоростях - увеличением влияния составляющей аэродинамического сопротивления, пропорциональной квадрату скорости. Похожая зависимость расхода топлива от скорости характерна для ТС с ДВС (см., например, Irene Michelle Berry "The Effects of Driving Style and Vehicle Performance on the Real-World Fuel Consumption of U.S. Light-Duty Vehicles" © 2010 Massachusetts Institute of Technology. February 2010. P.140) по аналогичным причинам.

Анализ кривых показывает существенное влияние стиля вождения (ускорения) на энергетические характеристики ТС. Для повышения эффективности (снижения уровня потерь) в изобретении предлагается следующий алгоритм разгона - малая величина тока двигателя при низком значении КПД, большая величина тока двигателя при большом значении КПД. Для этого предлагается в систему управления ЭТС в канал задания момента (педали управления акселератором) встроить динамическое звено - задатчик ускорения, благодаря которому при трогании ЭТС величина задаваемого момента (тока двигателя) вырастет не скачком до уровня, определяемого положением педали газа, а плавно по линейному закону или параболе с заданной интенсивностью. Тем самым обеспечится трогание при малых токах и соответственно при меньших потерях.

На фиг.2 представлена блок-схема системы управления ЭТС согласно изобретению, в которой:

ДПУА - датчик педали управления акселератором

ОБИП - обратимый бортовой источник питания

РЕК - рекуператор

БС - блок суперконденсаторов

КА - комплект аксессуаров

СТУ - силовая тяговая установка

ИП - индикационная панель

ЗУ - задатчик ускорения

Vтс - скорость ТС

Новым элементом в этой системе является задатчик ускорения, обеспечивающий плавное возрастание тока двигателя ЭТС. Пример реализации задатчика ускорения показан на фиг.3. На ней обозначены:

X_n - входной сигнал

Y_n - выходной сигнал

Y_n-1 - значение выходного сигнала в прошлый такт обсчета системы

НЭ - нелинейный элемент

K - коэффициент усиления, определяющий скорость нарастания выходного сигнала

И - интегратор

Z^-1 - задержка на 1 такт обсчета системы

ЗУ реализован в пространстве дискретных функций и рассчитывается с постоянным временем квантования. В процессе работы из входного сигнала X_n вычитается сигнал Y_n-1, полученный с элемента задержки при расчете системы в прошлом такте. Разность поступает на нелинейный элемент НЭ, который определяет знак разности. Далее знак умножается на коэффициент K и поступает на вход интегратора И, который реализован на сумматоре и элементе задержки Z^-1.

Возможна реализация ЗУ и средствами аналоговой техники.

Коэффициент удельного расхода энергии кВтч/км аналогичен показателю удельного расхода топлива в ТС в ДВС (л/100 км). Но в отличие от аналога (патент US 8224561 B2 17.07.2012) и прототипа (EP 2596977 A1 24.11.2011) переменные Рэл и Vi, входящие в выражение (10), не расчетные, смоделированные или статистические, а фактические, непосредственно измеренные в процессе движения. В этих величинах учтено реальное сопротивление воздуха и дороги, скатывающая сила и КПД электропривода.

Если к Р_элД (8) добавить Р_акс - мощность, потребляемая аксессуарами ЭТС P_Σ=P_элД+P_акс во время движения, то получим полную мощность потребления ЭТС во время движения. Оценим относительные затраты энергии, потребляемой при указанной мощности P_Σ при проезде отрезка пути ΔL за время Δt.

K_уд=P_Σ·Δt/ΔL=P_Σ/V_i

Индикация согласно изобретению указанной величины в процессе движения, как положительной, при разгоне, так и отрицательной, при рекуперативном торможении, поможет водителю сформировать экономический стиль вождения. Отношение фактической емкости АБ БИЛ к положительной величине определит прогнозируемый пробег ТС на этой зарядке, кроме того, индикация на информационной панели энергозатрат на аксессуары - например, в виде гистограммы будет напоминать водителю о дополнительных затратах энергии. Учитывая характерные для измеряемых величин пульсации, для удобства восприятия необходимо указанные величины «сгладить», используя, например, фильтр первого порядка.

Описано электротранспортное средство (ЭТС), содержащее автономный источник питания или связанное с внешним источником питания; органы управления, в том числе задания скорости (момента) движения (педаль управления акселератором); по крайней мере один электродвигатель, связанный с ведущими колесами транспортного средства через механическую передачу или без нее, и систему управления, включающую в себя один или несколько обратимых преобразователей, обеспечивающих регулирование скорости и/или момента указанного электродвигателя; информационную панель. Для повышения эффективности регулирования (снижения потерь) оно включает в себя задатчик ускорения в канале задания момента. Таким образом, при трогании ЭТС величина задаваемого момента (тока двигателя) вырастает не скачком до уровня, определяемого положением педали управления акселератором, а плавно по линейному закону или параболе с заданной интенсивностью. Тем самым обеспечивается трогание при малых токах и соответственно при меньших потерях. Кроме того, на информационной панели потребляемой электроэнергии индицируется фактический удельный расход энергии. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электротранспортное средство, содержащее внутренний автономный источник питания или связанное с внешним источником питания; по крайней мере один электродвигатель, связанный с ведущими колесами транспортного средства через механическую передачу или непосредственно систему управления, включающую в себя один или несколько обратимых преобразователей, обеспечивающих регулирование скорости и/или момента указанного электродвигателя; и информационную панель, отличающееся тем, что система управления включает в себя задатчик ускорения в канале задания момента электродвигателя, обеспечивающий плавное возрастание момента при трогании транспортного средства.

2. Электротранспортное средство по п.1, в котором величина задаваемого момента растет по линейному закону с заданной интенсивностью.

3. Электротранспортное средство по п.1, в котором величина задаваемого момента растет по параболе с заданной интенсивностью.

4. Электротранспортное средство по п.1, в котором информационная панель содержит индикатор фактического удельного расхода электроэнергии как отношения потребляемой энергии к скорости транспортного средства.

5. Электротранспортное средство по п.1, в котором информационная панель содержит индикатор потребления электроэнергии аксессуарами транспортного средства.