Разработка и реализация полного технологического цикла по конвертации автотранспортных средств в электромобили с перспективными тягово-динамическими характеристиками и показателями экологической безопасности

Общие сведения о проекте

Прикладные научные исследования и экспериментальные разработки проводятся при финансовой поддержке Министерства образования и науки России.

Номер Соглашения о предоставлении субсидии: 14.577.21.0156

Уникальный идентификатор соглашения: RFMEFI57714X0156

Приоритетное направление:  Транспортные и космические системы

Период выполнения: 27.11.2014 г – 30.12.2016 г.

Исполнитель: ФГБОУ ВПО "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)", кафедра «Электротехника и электрооборудование».

Руководитель проекта: Ютт В.Е., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Электротехника и электрооборудование».

Индустриальный партнер: ООО «Инфинит».

Ключевые слова:  электромобиль, транспортное средство, электрический привод, система тягового электрооборудования, аккумуляторная батарея, энергетическая система, экологическая безопасность, тягово-динамические характеристики, экспериментальный образец, конвертация.

Информационное обеспечение проекта

Подробная информация о ходе выполнения и результатах проекта размещена в сети Интернет на специализированном сайте: www.conversecars.ru

Официальный сайт организации-исполнителя проекта: www.madi.ru

Официальный интернет-сайт индустриального партнера проекта ООО «Инфинит»: www.autopower.pro

Сведения о ходе выполнения проекта на отдельных этапах

I этап. Выбор направления исследований.

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 27 ноября 2014 г. № 14.577.21.0156 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014- 2020 годы» на этапе № 1 в период с 27.11.2014 г. по 31.12.2014 г. выполнялись следующие работы:

1.1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы в области исследований, разработок, производства и эксплуатации перспективных транспортных средств с экологически чистыми силовыми установками – электромобилей.

1.2 Проведение патентных исследований в соответствии с ГОСТ 15.011-96.

1.3 Обоснование направления исследований и разработок электромобилей, в том числе конвертируемых на базе автомобилей традиционной конструкции.

1.3.1 Анализ существующих разработок электромобилей и опыта эксплуатации данного вида транспорта за рубежом, включающий сведения о составе, типе и технических характеристиках используемого тягового оборудования, результаты сравнительной оценки указанных характеристик и параметров электромобилей.

1.3.2 Анализ существующих разработок и серийных образцов зарядных устройств для аккумуляторных электромобилей, включающий результаты поиска готовых устройств, представленных на современном рынке, их сравнительную оценку по техническим характеристикам, показателям качества и функциональности.

1.3.3 Оценка состояния и технической оснащенности электромобильной зарядной инфраструктуры в РФ и за рубежом, включающая описание используемых технологий, оборудования, введенных и планируемых к введению в эксплуатацию зарядных сетей, результаты такой эксплуатации.

1.3.4 Теоретические исследования путей создания силовых установок для электромобилей, включающие анализ, описание и сравнительную оценку реализуемых структур системы тягового электрооборудования (СТЭО), состава, режимов работы и характеристик используемых компонентов.

1.4 Выбор и обоснование базового транспортного средства для конвертации в экспериментальный образец электромобиля.

1.5 Теоретические исследования способов и технических решений по сохранению штатных функций базового транспортного средства.

1.5.1 Определение принципов работы и выявление возможных проблем функционирования штатных систем автомобиля, а именно: усилителя рулевого управления, антиблокировочной системы тормозов, системы отопления салона и кондиционирования воздуха.

При этом были получены следующие основные результаты:

1. Представлены результаты обзора и анализа существующих разработок электромобилей, отражающих современные тенденции развития данной области, выявлены их потребительские свойства и технические характеристики. Рассмотрены вопросы преобразования (конвертации) транспортных средств традиционной конструкции в электромобили, проанализированы существующие решения в сфере конвертации в электромобиль. Выявлено, что на сегодняшний день проблема повышения экологической безопасности является актуальной, и как одним из перспективных средств ее решения является применение электромобильного транспорта.

2. Установлены закономерности в отношении рациональных значений запаса энергии тяговых аккумуляторных батарей (30 – 85 кВтч), типа и характеристик тяговых электрических машин (бесконтактные переменного тока), типа и характеристик тяговых источников тока (на основе литий-ионных технологий).

3. Выделен основной вариант технического (структурного) исполнения силовой установки, являющийся наиболее рациональным для конвертированного электромобиля и отвечающий следующей структуре и составу:

- источник постоянного тока – химический (тяговая аккумуляторная батарея, ТАБ);

- электрическая машина (ЭМ) – переменного тока бесконтактная;

- система преобразования энергии и управления электрической машиной (СПЭУ) – на основе силовых IGBT-модулей;

- механическая трансмиссия (МТ) и дифференциал (Д) – с бесступенчатым изменением частоты вращения ЭМ к ведущим колесам (ВК) (отсутствие коробки перемены передач);

- охлаждение системы тягового электрооборудования – жидкостное;

- электропитание бортовых низковольтных потребителей (НП) – от дополнительного преобразователя постоянного напряжения (ППН).

4. Осуществлен выбор и выполнено обоснование базового транспортного средства для конвертации в экспериментальный образец электромобиля. В качестве итогового варианта базового транспортного средства для ориентации в процессе ПНИЭР выбран автомобиль Mazda RX-8, отличающийся благоприятной возможностью существенного улучшения характеристик базового транспортного средства за счет использования системы тягового электропривода.

5. Теоретические исследования позволили выявить возможные проблемы функционирования штатных систем автомобиля. В качестве причин указанных проблем выделеныотсутствие механического привода от ДВС исполнительных устройств штатных систем, а также нарушение связи и обмена данными между электронными блоками управления этих систем и ДВС.

6. Анализ существующих разработок и серийных образцов зарядных устройств для электромобилей выявил, что наилучший баланс между стоимостью, техническими и эксплуатационными характеристиками обеспечивают станции быстрой зарядки стандарта ChadeMO.

7. Результаты проведенных патентных исследований подтвердили значимость и прикладную перспективность выполняемых исследований и экспериментальных разработок.Проведенный патентный поиск позволил выделить потенциальные объекты правовой охраны.

Полученные результаты отличаются новизной и отражают современные тенденции в области разработки и создания перспективных транспортных средств.Полученные результаты соответствуют требованиям к выполняемому проекту.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

II этап. Разработка концепции полного технологического цикла по конвертации транспортных средств традиционной конструкции в электромобили.Теоретические исследования функциональных и параметрических характеристик системы тягового электрооборудования электромобиля

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 27 ноября 2014 г. № 14.577.21.0156 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014- 2020 годы» на этапе № 2 в период с 01.01.2015 г. по 30.06.2015 г. выполнялись следующие работы:

2.1 Разработка концепции полного технологического цикла по конвертации транспортных средств традиционной конструкции в электромобили, отвечающие перспективным тягово-динамическим характеристикам и показателям экологической безопасности.

2.1.1 Определение и обоснование совокупности основных параметров СТЭО конвертируемого электромобиля, определяющих тягово-динамические и экологические показатели последнего, а также доказана возможность реализации разработанной концепции полного технологического цикла по конвертации в рамках направлений совершенствования автотранспортного комплекса снижения негативного воздействия на окружающую среду, выполнение действующих и перспективных норм по выбросам вредных веществ.

2.1.2 Разработка и определение этапов полного технологического цикла по конвертации транспортного средства традиционной конструкции в электромобиль.

2.1.3 Разработка перечня необходимых работ с указанием требуемого технологического оборудования в рамках реализации полного технологического цикла по конвертации.

2.2 Разработка и сопоставление вариантов возможных технических решений, выбор и обоснование оптимального варианта СТЭО конвертируемого электромобиля.

2.3 Теоретические исследования по организации оптимизированной работы основных компонентов системы тягового и автомобильного оборудования конвертируемого транспортного средства, безопасности использования силовых электроагрегатов на транспортном средстве.

2.3.1 Анализ основных характеристик и показателей работы тяговой батареи на основе химических источников тока различного типа, обоснование выбора типа и оптимизированной конструкции аккумуляторов для комплектации экспериментального образца электромобиля, проработка вопросов обеспечения возможных зарядно-разрядных режимов и организации номинальных условий эксплуатации на конвертируемом транспортном средстве, в том числе вопросов охлаждения аккумуляторного блока и безопасной эксплуатации последнего.

2.3.2 Анализ и сравнительная оценка электродвигателей-генераторов переменного тока различного типа по критериям минимизации стоимости конвертации транспортного средства, оптимизации массогабаритных показателей, повышения тягово-динамических характеристик электромобиля и надежности эксплуатации, а также выбор типа электрических машин к дальнейшему рассмотрению в составе экспериментального образца электромобиля.

2.4 Теоретические исследования вопросов, связанных с эксплуатацией высоковольтного тягового источника энергии на борту транспортного средства, в том числе в отношении управления и контроля режимов работы системы аккумулирования электрической энергии.

2.4.1 Анализ требований к высоковольтному оборудованию, применяемому на электромобиле, разработка предложений по реализации указанных требований.

2.4.2 Описание метода и способов управления и контроля режимами работы системы аккумулирования электрической энергии.

2.5. Теоретические исследования способов и технических решений по сохранению штатных функций базового транспортного средства.

2.5.1 Разработка предложений по возможным методам и способам обеспечения нормальной работы штатных систем автомобиля (усилителя рулевого управления, антиблокировочной системы, системы отопления салона и кондиционирования воздуха), разработка перечня необходимых мероприятий и возможных решений по реализации их работы в условиях, обусловленных демонтажем двигателя внутреннего сгорания и системы управления последним.

2.6 Проведение подготовительных работ по изготовлению экспериментального образца электромобиля.

2.7 Приобретение базового транспортного средства.

2.8 Изготовление/приобретение устройств для функционирования штатных систем базового автомобиля в условиях, обусловленных демонтажем двигателя внутреннего сгорания и системы управления последним, в том числе необходимых для работы рулевого управления, антиблокировочной системы тормозов, системы отопления и кондиционирования воздуха.

При этом были получены следующие результаты:

1. Разработана концепция полного технологического цикла по конвертации транспортных средств традиционной конструкции в электромобили, отвечающие перспективным тягово-динамическим характеристикам и показателям экологической безопасности. При этом определена последовательность стадий и этапов, а также осуществляемых в рамках этапа работ и производственных операций. Сформулированы базовые принципы конвертации, ключевым из которых является принцип сохранения тягово-динамических характеристик базового транспортного средства после конвертации.

 2. Определена и обоснована совокупность основных параметров системы тягового электрооборудования (СТЭО) конвертируемого электромобиля. С целью оптимизированного выбора характеристик тяговой электрической машины в составе СТЭО предложен коэффициент тягово-динамического соответствия конвертируемого электромобиля базовому ТС, позволяющий дать количественную оценку эффективности принятых технический решений и соблюдению базовых принципов конвертации.

3. Определен оптимальный вариант СТЭО конвертируемого электромобиля, включающий три группы бортового электрооборудования: трехфазного переменного напряжения, высокого (400 В) и низкого (12 В) постоянного напряжения. Отличительной чертой СТЭО является использование высоковольтных устройств системы отопления и кондиционирования воздуха.

4. Проведены теоретические исследования по организации оптимизированной работы основных компонентов системы тягового и автомобильного оборудования ЭМ. Сделан вывод о рациональности формирования тягового источника тока конвертируемого электромобиля на основе отельных функционально законченных модулей батареи, включающих в своем составе не более десяти последовательно соединенных аккумуляторов, а также интегрированную систему охлаждения. Предложенное концептуальное техническое решение по исполнению унифицированного аккумуляторного модуля тяговой батареи ЭМ отличается способностью к правовой охране. Применение цилиндрических или призматических аккумуляторов в составе отдельных модулей позволит оптимизировать их размещение и установку в ограниченном пространстве базового ТС, обеспечить необходимую электробезопасность работы с модулями за счет сниженного значения максимального напряжения единичного модуля.

5. Проведены теоретические исследования вопросов, связанных с эксплуатацией высоковольтного тягового источника энергии на борту ТС, в том числе в отношении управления и контроля режимов работы системы аккумулирования электрической энергии. В том числе: определен ряд основополагающих стандартов, руководство которыми является залогом соответствия результатов работы разработкам мирового уровня; выделено значение системы контроля состояния тягового источника тока, которое позволит обеспечить номинальные режимы эксплуатации наиболее дорогостоящих и требовательных компонентов СТЭО - аккумуляторов.

6. Разработаны предложения по сохранению и обеспечению нормальной работы штатных систем автомобиля в условиях, обусловленных демонтажем ДВС. Предложены к использованию устройства, являющиеся неотъемлемым условием обеспечения сохранения основных систем базового автомобиля, в том числе: вакуумный усилитель тормозов, блок управления усилителем рулевого управления; электрические компрессор и отопитель системы управления климатом в салоне.

Полученные результаты отличаются новизной и отражают современные тенденции в области разработки и создания перспективных транспортных средств.Полученные результаты соответствуют требованиям к выполняемому проекту.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

III этап. Математическое моделирование и расчетные исследования системы тягового электрооборудования электромобиля

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 27 ноября 2014 г. № 14.577.21.0156 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014- 2020 годы» на этапе № 3 в период с 01.07.2015 г. по 31.12.2015 г. выполняются (выполнялись) следующие работы:

3.1 Разработка требований к функциональности и техническому оснащению электромобиля, конвертируемого на базе традиционного транспортного средства.

3.1.1 Определение необходимых функциональных характеристик СТЭО, ключевых компонентов данной и вспомогательных систем. Разработка требований к показателям назначения и функциональности.

3.1.2 Разработка требований к назначению и функциональности дополнительного оборудования конвертируемого электромобиля, в том числе: преобразователю напряжения высоковольтной аккумуляторной батареи в низковольтное напряжение питания бортового электрооборудования; системе охлаждения компонентов системы тягового электрооборудования; системе согласования со штатной электроникой автомобиля и обеспечения ее нормальной работы.

3.2 Разработка и обоснование математической модели электромобиля для исследования энергетических показателей и характеристик основных компонентов силовой установки, включающей подмодели основных компонентов, в том числе модели тяговой электрической машины, устройств преобразования энергии и управления, тягового источника тока, механической трансмиссии.

3.3 Проведение расчетных исследований и компьютерного моделирования характеристик электромобиля в условиях стандартизированных ездовых циклов, описывающих городские и загородные режимы движения.

3.3.1 Проведение тягово-энергетического расчета экспериментального образца электромобиля.

3.3.2 Проведение расчета электрических, механических и энергетических показателей работы системы тягового электрооборудования экспериментального образца электромобиля в условиях имитации движения электромобиля в стандартизированных ездовых циклах.

3.3.3 Разработка предварительных требований к характеристикам СТЭО экспериментального образца электромобиля

3.4. Приобретение комплектующих для системы тягового электрооборудования.

3.5 Поиск, сравнительный анализ и выбор покупных комплектующих изделий для оснащения энергетической системы экспериментального образца электромобиля.

3.6 Подготовка заявки на охранный документ.

3.7 Участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИЭР.