Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ) » Разработка и реализация полного технологического цикла по конвертации автотранспортных средств в электромобили с перспективными тягово-динамическими характеристиками и показателями экологической безопасности


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.

При этом были получены следующие результаты:

1. Разработаны требования к функциональности и техническому оснащению электромобиля, конвертируемого на базе традиционного транспортного средства.

1.1. Определены необходимые функциональные характеристики СТЭО, ключевых компонентов данной и вспомогательных систем. Разработаны требования к показателям назначения и функциональности.

1.2. Разработаны требования 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.

2. Разработана и обоснована математическая модель электромобиля для исследования энергетических показателей и характеристик основных компонентов силовой установки, включающая подмодели основных компонентов, в том числе модели тяговой электрической машины, устройств преобразования энергии и управления, тягового источника тока, механической трансмиссии.

3. Проведены расчетные исследования и компьютерное моделирование характеристик электромобиля в условиях стандартизированных ездовых циклов, описывающих городские и загородные режимы движения.

3.1. Проведен тягово-энергетический расчет экспериментального образца электромобиля.

3.2. Проведен расчет электрических, механических и энергетических показателей работы системы тягового электрооборудования экспериментального образца электромобиля в условиях имитации движения электромобиля в стандартизированных ездовых циклах.

3.3. Разработаны предварительные требования к характеристикам СТЭО экспериментального образца электромобиля

4. Приобретены комплектующие для системы тягового электрооборудования.

5. Осуществлен поиск, сравнительный анализ и выбор покупных комплектующих изделий для оснащения энергетической системы экспериментального образца электромобиля.

6. Подготовлена заявка на охранный документ.

7. Принято участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИЭР.

IV этап. Разработка средств экспериментальных исследований для реализации полного технологического цикла по конвертации традиционных транспортных средств в электромобили

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 № 4 в период с 01.01.2016 г. по 30.06.2016 г. выполнялись следующие работы:

4.1 Разработка эскизной конструкторской документации для изготовления экспериментального образца электромобиля. 

4.2 Изготовление экспериментального образца электромобиля, конвертированного на базе легкового автомобиля.

4.3 Разработка технических требований на аппаратные средства для исследовательских испытаний экспериментального образца электромобиля в реальных дорожных условиях, в том числе требования к устройствам контроля и регистрации показателей работы СТЭО. Разработка предложений по их применению в ходе испытаний.

4.4 Разработка программы и методики стендовых экспериментальных исследований и дорожных исследовательских испытаний экспериментального образца электромобиля.

4.5. Приобретение/аренда необходимого технологического и контрольно-измерительного оборудования для стендовых экспериментальных исследований. 

4.6 Проведение стендовых экспериментальных исследований компонентов системы тягово-энергетического оборудования экспериментального образца электромобиля с целью входного контроля покупных комплектующих изделий для экспериментального образца электромобиля. 

4.7 Подготовка заявки на охранный документ. 

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

При этом были получены следующие результаты:

1. Разработана эскизная конструкторская документация для изготовления экспериментального образца электромобиля. 

2. Изготовлен экспериментальный образец электромобиля, конвертированного на базе легкового автомобиля.

3. Разработаны технические требования на аппаратные средства для исследовательских испытаний экспериментального образца электромобиля в реальных дорожных условиях, в том числе требования к устройствам контроля и регистрации показателей работы СТЭО. Разработаны предложения по их применению в ходе испытаний.

4. Разработана программа и методики стендовых экспериментальных исследований и дорожных исследовательских испытаний экспериментального образца электромобиля.

5. Приобретено необходимое технологическое и контрольно-измерительное оборудование для стендовых экспериментальных исследований. 

6. Проведены стендовые экспериментальные исследования компонентов системы тягово-энергетического оборудования экспериментального образца электромобиля с целью входного контроля покупных комплектующих изделий для экспериментального образца электромобиля. 

7. Подготовлена заявка на охранный документ. 

8. Принято участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИЭР.