Модель электробаланса и термоменеджмента электромобиля
Назначение модели
Современный электромобиль представляет собой сложную систему, в которой одновременно взаимодействуют аккумуляторная батарея, силовая электроника, электрический привод, трансмиссия и система термоменеджмента. Работа каждого из этих компонентов влияет на общий расход энергии, запас хода и эффективность эксплуатации автомобиля.
При проектировании электромобилей важной задачей является оценка энергетических потоков между всеми подсистемами автомобиля еще на ранних этапах разработки, когда конструкция отдельных агрегатов может быть окончательно не определена.
Для решения данной задачи используется верхнеуровневая имитационная модель электробаланса и термоменеджмента. Такая модель позволяет исследовать энергетические характеристики автомобиля без необходимости детального моделирования внутренних процессов каждого отдельного компонента.
Основными целями моделирования являются:
- определение требований к компонентам электромобиля;
- анализ энергетического баланса автомобиля;
- оценка запаса хода при различных условиях эксплуатации;
- исследование влияния температуры на характеристики аккумуляторной батареи;
- разработка алгоритмов управления продольной динамикой;
- оптимизация работы системы термоменеджмента;
- оценка энергопотребления автомобиля на различных ездовых циклах.
Общая структура модели
Рисунок 1 — Верхнеуровневая модель электробаланса и термоменеджмента электромобиля.
Модель объединяет основные энергетические подсистемы электромобиля в единую расчетную схему.
В состав модели входят:
- высоковольтная аккумуляторная батарея;
- преобразователь постоянного напряжения DC/DC;
- инвертор;
- система управления инвертором;
- электрический двигатель;
- трансмиссия;
- модель автомобиля;
- система управления движением;
- система термоменеджмента;
- модель потребителей высоковольтной сети;
- модель потребителей низковольтной сети;
- блок импорта ездового цикла;
- блок импорта температуры окружающей среды.
Все подсистемы связаны между собой потоками энергии и управляющими сигналами.
Описание модели
Источником энергии в модели является высоковольтная аккумуляторная батарея.
Аккумулятор обеспечивает питание тягового электропривода и вспомогательных систем автомобиля.
Часть энергии через преобразователь DC/DC передается в низковольтную сеть автомобиля, питающую электронные блоки управления, освещение, насосы, вентиляторы и другие потребители.
Основной поток энергии поступает в инвертор.
Инвертор преобразует постоянное напряжение аккумуляторной батареи в трехфазное переменное напряжение, необходимое для питания электрического двигателя.
Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую.
Развиваемый двигателем крутящий момент через трансмиссию передается колесам автомобиля.
Движение автомобиля рассчитывается с учетом массы автомобиля, дорожных сопротивлений, параметров ездового цикла и требуемой скорости движения.
Одновременно производится расчет потребляемой мощности, тока аккумулятора, изменения напряжения батареи и степени ее заряда.
Отдельным контуром работает система термоменеджмента.
Она рассчитывает температурное состояние аккумуляторной батареи и обеспечивает поддержание оптимального температурного режима путем управления охлаждением или подогревом.
Таким образом модель одновременно описывает:
- движение автомобиля;
- расход энергии;
- изменение параметров аккумулятора;
- работу системы охлаждения;
- взаимодействие всех основных энергетических подсистем.
Исследуемые параметры
Во время моделирования рассчитываются следующие характеристики:
- ток аккумуляторной батареи;
- напряжение аккумуляторной батареи;
- степень заряда аккумулятора (SOC);
- потребляемая электрическая мощность;
- температура аккумулятора;
- температура элементов системы охлаждения;
- скорость автомобиля;
- пройденный путь;
- энергетические потоки между подсистемами автомобиля.
Полученные результаты позволяют оценить эффективность использования энергии при различных режимах эксплуатации.
Анализ разрядной характеристики аккумуляторной батареи
Рисунок 2 — Разрядные характеристики аккумуляторной батареи при различных температурах.
На рисунке представлены зависимости напряжения аккумуляторной батареи от степени разряда при различных температурах окружающей среды.
По оси абсцисс отложена степень разряда аккумулятора (SOC).
По оси ординат — напряжение батареи.
Расчет выполнен для температур
Полученные зависимости демонстрируют существенное влияние температуры на электрические характеристики аккумулятора.
При отрицательных температурах внутреннее сопротивление батареи увеличивается, вследствие чего напряжение уменьшается значительно быстрее.
Наиболее выраженное снижение напряжения наблюдается при температуре
По мере повышения температуры рабочее напряжение сохраняется на более высоком уровне практически во всем диапазоне изменения SOC.
Наиболее благоприятный режим работы батареи наблюдается при температурах
при которых аккумулятор способен отдавать большую часть накопленной энергии без существенного снижения напряжения.
Таким образом результаты моделирования подтверждают необходимость поддержания оптимальной температуры аккумулятора системой термоменеджмента.
Анализ энергетических характеристик батареи
Рисунок 3 — Изменение параметров аккумуляторной батареи во времени.
Сюда вставляется второй график.
На графике представлены:
- красная кривая — ток аккумуляторной батареи IcI_cIc;
- синяя кривая — степень заряда батареи SOCSOCSOC;
- зеленая кривая — напряжение аккумуляторной батареи UcU_cUc.
В процессе движения автомобиля потребляемый ток непрерывно изменяется в зависимости от режима движения.
Наибольшие значения тока наблюдаются во время интенсивных разгонов автомобиля, когда электродвигателю требуется максимальная мощность. После завершения разгона величина тока уменьшается, а при движении с постоянной скоростью принимает более низкие значения.
Степень заряда аккумуляторной батареи постепенно снижается по мере расходования накопленной энергии. Благодаря высокой емкости батареи изменение SOCSOCSOC происходит значительно медленнее, чем изменение мгновенного тока.
Напряжение аккумуляторной батареи в течение рассматриваемого интервала изменяется незначительно и остается практически постоянным. Незначительные отклонения обусловлены изменением нагрузки и режимов работы силового привода.
Полученные результаты характеризуют типичный режим работы тяговой батареи при движении электромобиля по заданному ездовому циклу и позволяют оценить динамику энергопотребления в различных режимах эксплуатации.
Анализ скоростного профиля автомобиля
Рисунок 4 — Скоростной профиль электромобиля: заданная скорость, фактическая скорость и отклонение скорости.
На рисунке представлены результаты моделирования движения электромобиля по заданному ездовому циклу.
На графике отображены:
- красная кривая — заданная (планируемая) скорость автомобиля;
- синяя кривая — фактическая скорость автомобиля;
- серая кривая — отклонение фактической скорости от заданной.
Заданный профиль скорости имеет трапецеидальную форму и состоит из последовательности участков разгона, движения с постоянной скоростью и торможения. Такой профиль позволяет оценить работу системы управления автомобиля при различных режимах движения.
Во время разгона фактическая скорость практически повторяет заданную траекторию. Небольшие периодические колебания синей кривой относительно красной обусловлены особенностями работы системы управления электроприводом и алгоритмов регулирования крутящего момента.
На участках движения с постоянной скоростью наблюдаются небольшие колебания фактической скорости относительно заданного значения. Несмотря на это, отклонения остаются незначительными и не оказывают существенного влияния на выполнение ездового цикла.
Во время торможения фактическая скорость также практически совпадает с заданной, что свидетельствует о корректной работе алгоритмов управления приводом.
График отклонения скорости показывает разность между заданной и фактической скоростью автомобиля. На протяжении всего расчета величина ошибки остается небольшой и носит колебательный характер, что характерно для систем автоматического регулирования скорости.
Полученные результаты показывают, что разработанный алгоритм управления обеспечивает точное следование автомобиля заданному скоростному профилю во всех режимах движения. Это подтверждает корректную настройку системы управления электроприводом и позволяет использовать модель для оценки энергопотребления и исследования различных ездовых циклов.
Моделирование подтвердило работоспособность верхнеуровневой модели электробаланса и термоменеджмента электромобиля. Проведенный анализ позволил оценить влияние температуры на характеристики аккумуляторной батареи, исследовать изменение энергетических параметров в процессе движения и проверить качество реализации заданного скоростного профиля. Полученные результаты могут быть использованы при разработке алгоритмов управления, выборе параметров компонентов электромобиля и оптимизации энергопотребления для увеличения запаса хода.