CC BY
1
Borisova Ekaterina Viktorovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,
Arkhipov Pavel Yurievich, postgraduate, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,
Odinokov Sergey Anatolievich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute
УДК 004.413
Б01: 10.24412/2071-6168-2025-2-192-193
АЛГОРИТМ РАЦИОНАЛИЗАЦИИ ВАРИАТИВНОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОДБОРА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
И.А. Беляева, В.Н. Козловский, Д.И. Панюков, Е.В. Пантюхина
В работе разрабатывается алгоритм процесса рационализации вариативности при проектировании силовой установки электромобиля с точки зрения качества подбора электродвигателя.
Ключевые слова: автомобильная промышленность; качество; проектирование; электромобиль; электродвигатель.
Выбор тягового электродвигателя для конкретного электромобиля достаточно сложный процесс. Необходимо учесть многие параметры, которые прямо или косвенно влияют на характеристики транспортного средства. На этапе проектирования необходимо определиться с теми выходными данными тягового электродвигателя, которые будут удовлетворять условиям по производительности и соответствовать требуемым характеристикам электромобиля [1, 2].
Первое, на что нужно обратить внимание при выборе тягового электродвигателя - это непосредственно характеристики транспортного средства, которые в большей степени определяют влияние условий эксплуатации электромобиля [3, 4]. Примерами таких характеристик могут быть -максимальный пробег электромобиля без зарядки или циклы вождения (город или дальние расстояния), какой вариант или объем ячеек у батарей и т.д.
Следующее, на что нужно обратить внимание - это проектируемая максимальная скорость электромобиля, которую необходимо поддерживать на трассе. Например, в КНР имеется запрет на максимальную скорость, чего
нет в российских правилах. Отсюда необходимо понимать, ставить блокирующие сигналы или нет в соответствующую электронную систему обеспечения безопасности или запреты на какие-либо действия со стороны системы [5, 6].
Данный параметр, определяющий максимальную скорость движения, также следует учитывать при решении косвенных задач, связанных с оценкой скорости при движении автомобиля под уклон. Зная уклон и вес транспортного средства рассчитывается максимально возможный крутящий момент при максимальной и минимальной скорости транспортного средства [7, 8].
Далее, важным элементом при выборе тягового электродвигателя, является комплексный подход при анализе выходных характеристик тяговой батареи, с ограничением напряжения IGBT(insulated-gate bipolar transistor - биполярный силовой транзистор с изолированным затвором), используемых в контроллере электродвигателя. При неисправности IGBT-модуля в инверторе (MCU - Motor Controller Unit электронный модуль, который взаимодействует между батареями и двигателем для управления скоростью и ускорением электромобиля.) возникает ошибка, которая не допускает движение, но позволяет включать высоковольтное питание и нагрузку по стабилизации снижения запрашиваемого момента электродвигателя берет на себя главный электроблок - Vehicle Control Unit - Блок управления, который управляет функциями трансмиссии, а также общими функциями автомобиля (VCU), транспортное средство выходит из строя. Причиной поломки IGBT-модуля может быть резкий скачок тока, а это необходимо контролировать, т.к это напрямую влияет на качество готового изделия [9, 10].
Итак, электропривод состоит из приводного электродвигателя, контроллера приводного электродвигателя, редуктора и высоковольтных соединительных компонентов (рисунок 1), которые преобразуют электрическую энергию в механическую, создавая движущую силу. Движущая сила передается на колеса через приводной вал и ведущую ось для реализации движения вперед и назад. Данная конструкция подходит для удовлетворения потребностей различных рабочих действий, таких как запуск, ускорение, подъем и прочие эксплуатационные действия автомобиля. При условиях нормального движения силовой агрегат обеспечивает движущую силу для всего автомобиля [11, 12]. При торможении или спуске электродвигатель может преобразовывать часть кинетической энергии в электрическую и накапливать ее в аккумуляторе [13].
В процессе проектирования новой конструкции электромобиля, решается задача по первичному выбору нескольких вариантов тяговых электродвигателей, каждый из которых имеет свои технические характеристики, далее проводятся комплексные исследования, позволяющие получить наилучший вариант исполнения с выбором конкретного тягового электродвигателя в составе электромобиля [14, 15].
Ниже, представлены требования, которые необходимо выполнить для проведения расчетов тяговых характеристик и динамики
электромобиля, компьютерного моделирования теоретически возможного максимального пробега в различных испытательных циклах, а также для подбора оптимального набора ячеек тяговых аккумуляторных батарей:
Электродвигатель:
1. ВСХ (внешние скоростные характеристики - Torque Curves) для напряжений 200В, 225В, 273В, 300В, 315В, 330В, 350В, 380В, 400В, 450В, 470В. Обязательно на характеристиках указать значения крутящего момента при скорости вращения выходного вала электродвигателя 0 мин-1. Характеристики предоставить как для номинального режима (долговременный (не менее 30 мин) режим мощности, согласно правилам ЕЕК ООН №85), так и для режима кратковременной максимальной мощности (peak power).
2. Карты КПД (efficiency maps). Необходимо определить характеристики как для тягового режима работы электродвигателя, так и для работы электродвигателя в режиме рекуперации при торможении.
Разъем левой
Рис. 1. Тяговый электродвигатель электромобиля
Редуктор+дифференциал:
1. Общий КПД редуктора и передаточное число.
2. Конструкция, тип передач и кинематическая схема с указанием количества зубьев каждой шестерни. По данному пункту информация нужна в виде достаточном для понимания принципа работы и самостоятельной проверки заданного КПД редуктора и дифференциала.
Система управления:
1. Список функций, описание и их возможная реализация;
2. Описание используемых протоколов, матрица сообщений;
Прочее:
1. Габаритные чертежи с указанными присоединительными размерами;
2. Требования по установке силового агрегата;
3. Требования по максимально допустимым крутильным колебаниям и предельным углам установки;
4. Требования по системе охлаждения;
5. Перечень необходимых испытаний в составе ТС - транспортного средства (на прототипе);
6. Требования по подключению электроустановки;
7. Требования на компоненты, взаимодействующие с СА - силовым агрегатом (например, переключатель режимов движения и т.д.)
8. Описание системы смазки двигателя и требования к маслу;
9. Общие технические требования на силовой агрегат.
Чтобы адекватно оценить модель, каждый спроектированный вариант двигателя проверяли на компоновочную стыковку в подкапотном пространстве (рисунок 2).
Вариант 1 Вариант 2 Вариант 1 и 2 - общая геометрия
Рис. 2. Геометрическое и техническое сравнение вариантов двигателя
В процессе проектирования электродвигателя и поиске оптимального его расположения в подкапотном пространстве затрагивают несколько систем [16, 17]. Например, штуцер силовой конструкции электродвигателя расположился напротив штуцера подогревателя. На рисунке 2 видно, что есть большой риск касания между патрубками системы терморегулирования при небольшом перемещении СА.
Рис. 3. Вариативность геометрии штуцера подключения
терморегулирования
195
Для рационализации расположения электродвигателя, всегда имеется необходимость небольшого вращения или перемещение на некоторое расстояние [18, 19]. К примеру, при трассировке жгутов и электрических разъемов, необходимо учитывать угол поворота низко- и высоковольтных жгутов и место подключение к СА прорисовывается детально (рисунок 4)
Рис. 4. Место геометрического конфликта между силовым агрегатом
и электрическим разъемом
По рисунку 4 видно, что требуется корректировка подключения жгута проводов, имеется конфликт с заправочной горловиной (предположительно), что влечет за собой изменение трассы жгутов [20].
Значимым при компоновочных работах является разница расположения центра дифференциала с силовым агрегатом. Максимально возможный поворот в пространстве - 5 градусов. На рисунке 5 показано наложение двух вариантов двигателя.
Рис. 5. Расположение центра дифференциала
При физической проверке, было выявлено, что образец варианта 2 более подходит по геометрическим параметрам к проектируемому электромобилю (рисунок 6).
Рис. 6. Электродвигатель в составе электромобиля
Выбор типа электродвигателя имеет решающее значение для обеспечения требуемой производительности электромобиля и удовлетворительного вождения при разных условиях. Каждый тип электродвигателя имеет определенные выходные характеристики и ограничения, которые необходимо тщательно оценить и учесть при выборе разрабатываемого электромобиля. Экспериментальные различные расчеты, математическое моделирование поведения конструкции под нагрузкой, проектирование подкапотного пространства и т.д - обязательны к серьезной проработке, т.к. эти шаги прямо влияют на качество готового продукта - электромобиля. Например, коммерческий электромобиль, используемый для городских доставок, будет иметь иные характеристики, в сравнении с характеристиками электромобилей некоммерческого исполнения. Понимание этих различий помогает сделать осознанный выбор компонента, сравнить и рассчитать потребные характеристики как электродвигателя, так и самого транспортного средства.
Список литературы
1. Козловский В.Н. Моделирование электронной системы vvt управления двигателем легкового автомобиля / В.Н. Козловский, В.В. Дебелов, М.А. Пьянов // Электроника и электрооборудование транспорта. 2014. № 4. С. 5-12
2. Панюков, Д.И. Формирование эффективной FMEA-команды / Д.И. Панюков, В.Н. Козловский, С.А. Шанин // Стандарты и качество. 2017. № 7. С. 68-72.
3. Дебелов, В.В. Электронная система управления автомобиля "startstop" / В.В. Дебелов, В.Н. Козловский, В.Е. Ютт // Электроника и электрооборудование транспорта. 2014. № 2. С. 6-9.
4. Kozlovskiy, V. System of customer satisfaction monitoring by new cars in view of perceived quality / V. Kozlovskiy, D. Aydarov // Quality - Access to Success. 2017. Т. 18. № 161. С. 54-58.
5. Kozlovsky V.N. Calculation and statistical experiment on the monte carlo method when assessing the stability of the technical characteristics of the automobile generator set in mass production / V.N. Kozlovsky, V.E. Lysov, V.V. Ermakov, D.V. Antipov, D.F. Skripnuk // В сборнике: Proceedings of the 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2019. 2019. С. 565-568.
6. Николаев П.А. Многофакторная оценка влияния дорожной обстановки на помехоустойчивость бортового электротехнического комплекса автомобилей / П.А. Николаев, В.Н. Козловский, А.С. Подгорний, А.С. Сак-сонов // Электроника и электрооборудование транспорта. 2022. № 1. С. 3641.
7. Козловский, В.Н. Мониторинг удовлетворенности потребителей качеством автомобилей / В.Н. Козловский, Д.В. Антипов, Д.И. Панюков // Стандарты и качество. 2016. № 6. С. 100-105.
8. Козловский, В.Н. Цифровизация и проблемы трудовых коллективов: роли и ответственность / В.Н. Козловский, Д.И. Благовещенский, Д.И. Панюков, Р.Р. Гафаров // Стандарты и качество. 2022. № 1. С. 94-98.
9. Николаев, П.А. Оценка соответствия автомобилей требованиям помехоустойчивости к внешним электромагнитным воздействиям / П.А. Николаев, В.Н. Козловский, А.С. Подгорний // Грузовик. 2017. № 10. С. 4448.
10. Козловский, В.Н. Математическая имитационная модель оценки зарядного баланса автомобиля / В.Н. Козловский, У.В. Брачунова, А.В. Крицкий, А.С. Саксонов // Грузовик. 2021. № 7. С. 17-26.
12. Панюков, Д.И. Моделирование процедуры FMEA: анализ рисков / Д.И. Панюков, В.Н. Козловский, Д.В. Айдаров // Методы менеджмента качества. 2019. № 9. С. 34-43.
13. Панюков Д.И. Программное обеспечение для поддержки метода FMEA / Д.И. Панюков, В.Н. Козловский, Д.В. Айдаров // Методы менеджмента качества. 2019. № 6. С. 42-49.
14. Саксонов, А.С. Расчетно-статистический эксперимент по методу Монте-Карло как основа инструмента управления качеством транспортных электромеханических преобразователей / А.С. Саксонов, В.Н. Козловский, А.В. Крицкий // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 6. С. 286-292.
15. Слукин, А.М. Имитационное моделирование электронной системы определения вязкости масла в силовом агрегате автомобиля / А.М. Слукин, В.В. Дебелов, В.Н. Козловский, В.В. Иванов // Электроника и электрооборудование транспорта. 2014. № 5. С. 2-4.
16. Панюков, Д.И. Моделирование процедуры FMEA: методология и стратегия / Д.И. Панюков, В.Н. Козловский, Д.В. Айдаров // Методы менеджмента качества. 2019. № 7. С. 30-38.
17. Панюков, В.Н. Моделирование процедуры FMEA с ИТ - поддержкой в нотации BPMN / В.Н. Панюков, В.Н. Козловский, Д.В. Айдаров // Методы менеджмента качества. 2019. № 12. С. 28-35.
18. Козловский, В.Н. Оценка реакции автопроизводителя на запросы потребителей / В.Н. Козловский, Г.Л. Юнак, Д.В. Айдаров, С.А.Шанин // Стандарты и качество. 2017. № 6. С. 80-85.
19. Козловский, В.Н. Имитационная модель зарядного баланса автомобильного электрооборудования / В.Н. Козловский, Д.И. Гурьянов, А.Д. Немцев // Автотракторное электрооборудование. 2002. № 5-6. С. 12.
20. Козловский, В.Н. Прогнозирование потребительской ценности качества автомобилей / В.Н. Козловский, Д.В. Айдаров, Д.И. Благовещенский, Д.И. Панюков // Стандарты и качество. 2021. № 2. С. 96-103.
Беляева Ирина Александровна, канд. техн. наук, доцент, научный сотрудник, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный техническийуниверси-тет,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Панюков Дмитрий Иванови, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Пантюхина Елена Викторовна, д-р техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
ALGORITHM FOR RATIONALIZING VARIABILITY IN DESIGNING A POWER PLANT FROM THE POINT OF VIEW OF ENSURING THE QUALITY OF ELECTRIC MOTOR
SELECTION
I.A. Belyaeva, V.N. Kozlovsky, D.I. Panyukov, E.V. Pantyukhina
The paper develops an algorithm for the process of rationalizing variability in designing an electric vehicle power plant from the point of view of the quality of electric motor selection.
Key words: automotive industry; quality; design; electric vehicle; electric motor.
Belyaeva Irina Alexandrovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Panyukov Dmitry Ivanovi, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Pantyukhina Elena Viktorovnа, doctor of technical science, docent, e. v.pant@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
