Введение к работе
Актуальность работы
Повышение безопасности, а также комфорта водителя и пассажиров, наряду с улучшением топливной экономичности и экологических показателей, являются первостепенными задачами, на решение которых нацелены производители современных автотранспортных средств (АТС). Реализация перспективных технических решений в отношении указанных проблем, как правило, связана с усложнением конструкции, использованием новых устройств и агрегатов в бортовой сети автомобиля. Непрекращающийся рост числа потребителей электроэнергии приводит к нехватке мощности, ухудшению массогабаритных показателей электрической проводки автомобиля и перегрузкам по току. Для решения этих проблем возможны два варианта - это повышение напряжения бортовой сети и оптимизация потребляемой мощности существующих агрегатов и узлов.
Снизить потребляемую агрегатами АТС мощность возможно за счет правильной организации управления потребителями, данные работы активно ведутся ведущими производителями. Существует несколько способов сокращения энергопотребления. Первый способ -ограничить одновременное включение мощных потребителей электроэнергии, тем самым снизить пиковые значения тока. Второй способ состоит в замене механических агрегатов на электрические с микропроцессорным управлением. Последнее решение позволяет повысить энергоэффективность различных систем за счет оптимизации работы отдельных устройств.
Результаты многочисленных исследований, в том числе зарубежных, свидетельствуют о том, что доля ДТП по причине отказа в работе электрических и электронных систем на автомобилях со сроком эксплуатации 3-5 лет составляет 59,5 % из числа всех происшествий, связанных с отказом оборудования. Автомобиль является средством повышенной опасности, однако водитель, как правило, редко задумывается о надежности и безопасности всех узлов и систем по отдельности, доверяя этот вопрос производителю. В связи с этим повышение надежности электрических и электронных систем является одной из важных проблем для разработчиков современных
автомобилей. Одним из перспективных решений указанной проблемы можно считать оснащение коммутирующих элементов функциями самодиагностики, что, в свою очередь, обеспечивает возможность контроля состояния всех узлов и агрегатов на аппаратном уровне.
Система защиты и коммутации является одной из ключевых в АТС, поэтому решение указанных выше проблем актуально и востребовано. Работа направлена на решение проблем, связанных с увеличением надежности коммутационной и защитной аппаратуры бортовой сети АТС, в том числе рассчитанной на повышенное напряжение, а также интеллектуальным распределением энергии между потребителями и применением управляемых электроприводов.
Целью является разработка систем защиты и коммутации с различной степени интеграции для узлов и агрегатов в бортовой сети АТС.
В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
создание методики выбора коммутационного элемента;
разработка методики расчета потерь мощности в интеллектуальном силовом ключе с учетом особенностей широтно-импульсного (ШИМ) регулирования;
разработка универсальной математической модели интеллектуального силового ключа (ИСК);
расчет технико-экономического обоснования применения ИСК в бортовой сети современного АТС;
разработка монтажного блока с ИСК на базе серийно выпускаемого, с реле и предохранителями для автомобиля МАЗ 4310;
опытная оценка влияния интеллектуального управления на характеристики электродвигателя жидкостного насоса системы охлаждения ДВС.
Методы и методология исследований
При решении задач использованы современные математические методы, основные положения электротехники, электропривода и электроники, теории автоматического управления и автомобиля. Расчетные исследования математической модели реализованы на базе
программного пакета предназначенного для автоматизации проектирования OrCAD PSpice, которые были подтверждены экспериментальными данными в результате испытаний. Экспериментальные исследования проводились в современных лабораториях ОАО «АВАР», ОАО «ЗМЗ», ФГУП НИИАЭ, оснащенных современным измерительным оборудованием.
Научная новизна
-
Разработана методика расчета и выбора интеллектуальных силовых ключей, в качестве элементов бортовой сети автомобиля, позволяющая учитывать тип коммутируемой нагрузки, потери мощности и технико-экономические параметры. Методика отличается универсальностью, и охватывает весь цикл проектирования.
-
Разработан и экспериментально проверен макетный образец ИСК, интегрированный в корпус электромагнитного реле, позволяющий повысить надежность серийного монтажного блока.
-
Проведена опытная оценка работы электродвигателя жидкостного насоса с коммутатором при использовании ИСК совместно с микропроцессорным управлением, обеспечивающим снижение отбора мощности от ДВС и уменьшение расхода топлива.
-
Предложена математическая модель, предназначенная для оптимизации расчета потерь мощности в ИСК, для возможности моделирования различных режимов его работы и оценки эффективности в электрической схеме конечного устройства.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при выполнении работ, связанных с расчетом и созданием бортовой сети перспективных автомобилей.
Предложенные алгоритмы и математические модели позволяют на аппаратно-программном уровне осуществлять расчет коммутационных элементов, и интеллектуальных систем управления.
Результаты работы использованы в ФГУП НИИАЭ, ОАО «АВАР», что подтверждено актами внедрения, а также в МАДИ в бортовой сети спортивного автомобиля "Adrenaline" класса Формула Студент, представленного на международных соревнованиях в Германии в 2007 году среди инженерных команд.
Положения, выносимые на защиту:
-
Обобщенная методика выбора интеллектуальных ключей для коммутации светотехнической аппаратуры и электродвигателей, учитывающая расчет потерь мощности в ИСК, а также технико-экономическое обоснование.
-
Адаптированная математическая модель ИСК для системы защиты и коммутации автомобиля.
-
Конструкция электронного реле на базе интеллектуального ключа, интегрированная в корпус серийного электромагнитного реле.
-
Результаты комплексных исследований электронного коммутатора на базе ИСК для вентильно-индукгорного электродвигателя жидкостного насоса
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на:
-
Международных конструкторских соревнованиях Formula Student Germany. Германия, Хоккенхайм, 2007 г.;
-
66-70 научно-методических и научно исследовательских конференциях МАДИ, МАДИ, Москва 2008-2012гг.;
-
8-м Международном автомобильном научном форуме «Развитие национальной базы НИОКР», приз «Лучшая конструкторская разработка», полигон НАМИ, Дмитров, 2010 г.;
-
Международной 10-ой конференции «Дни науки», университет Лаузитц, г. Лаузитц, Германия, 2010 г.;
-
Международной научно-технической конференции ассоциации автомобильных инженеров «Перспективы развития
автомобилей, развитие транспортных средств с альтернативными энергоустановками». АВТОВАЗ, Тольятти, 2011 г.;
6. форуме «Актуальные проблемы машиноведения». Государственное научное учреждение «Объединенный институт машиностроения национальной академии наук Беларуси», Республика Беларусь, Минск, 2012 г.
Публикации
Основные положения и результаты исследований опубликованы в пяти печатных работах, в том числе три в изданиях, включенных в перечень рекомендованный ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения,
библиографического списка из 119 наименований и трёх актов
внедрения. Общий объем работы 141 страница текста, в том числе
рисунки, графики и таблицы.
