5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ 15

ВВЕДЕНИЕ

В современном мегаполисе значительную роль в пас-сажирских перевозках играет наземный автомо-бильный транспорт При интенсивном увеличении населения города происходит расширение город-ских границ и транспортной сети а также уплот-нение графика движения маршрутного транспорта В настоящее время широкое распространение полу-чает городской автомобильный электротранспорт mdash электробус отличающийся от автобуса отсутствием двигателя внутреннего сгорания и соответствен-но отсутствием вредных выбросов при движении а от троллейбуса mdash отсутствием линии электропере-дач что даёт электробусу преимущество в манёврен-ности Для такого вида электротранспорта особенно актуальна задача повышения энергоэффективности движения на городском маршруте (который пред-полагает наличие остановок и ограничение времени движения между ними) в силу ограничений ёмкости бортовых источников энергии

В работе [1] разработан метод определения зако-на движения электробуса по маршруту с целью по-вышения энергоэффективности

Представленный метод расчёта основывается на классическом дискретном варианте метода дина-мического программирования Беллмана [2] в ходе работы которого определяются значения функции Беллмана для каждого возможного состояния элек-тробуса на маршруте Значения функции Беллмана представляют собой минимальные величины энер-гии которые необходимо затратить на перемещение из рассматриваемой точки пространства в конечную С использованием рассчитанных значений строится энергоэффективный закон движения электробуса на рассматриваемом участке маршрута

В качестве уравнения описывающего состояние электробуса при работе метода рассматривалась

УДК 629331

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ЗАКОНА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРОБУСА НА ГОРОДСКОМ МАРШРУТЕ

Б Б Косицын асп Московский государственный технический университет им Н Э Баумана

следующая модель динамики прямолинейного дви-жения электробуса как твёрдого тела [3]

где Mki mdash момент на i-м колесе создаваемый элек-тромашиной MTMi mdash тормозной момент создава- емый рабочей тормозной системой на i-м колесе δ mdash коэффициент учёта вращающихся масс rk0i mdash радиус качения i-го колеса без скольжения Mfi mdash момент сопротивления качению i-го колеса Pw mdash сила аэро-динамического сопротивления

С целью доказать обоснованность и достоверность результатов получаемых по итогам работы метода необходимо

1 Провести теоретический расчёт энергоэффек-тивного управления для выбранного участка марш-рута [1]

2 Верифицировать математическую модель движения и преобразования энергии электробуса по экспериментальным данным

Кроме того для оценки целесообразности внедре-ния полученного закона управления на выбранном маршруте необходимо оценить какое количество энергии расходуется на движение для использова-ния при организации эксплуатации в качестве ис-ходных данных

Статья написана по результатам эксперимен-тальных исследований проведённых при финан-совой поддержке Министерства образования и на-уки Российской Федерации в рамках договора ДН01000121615 между ООО laquoЛиАЗraquo и МГТУ им Н Э Баумана

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ16

ОБЪЕКТ ИСПЫТАНИЙ И АППАРАТУРНО- ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

В качестве объекта испытаний используется элек-тробус разработанный laquoГруппой ГАЗraquo совместно со специалистами МГТУ им Н Э Баумана (рис 1)

Электробус создан на базе планера ЛиАЗ-529230 (рис 2) Масса электробуса в снаряжённом состоя-нии составляет 13 265 кг полная масса электробуса равна 18 000 кг

Электробус оснащён электродвигателем Siemens PEM Motor 1DB2016-1NB06 (рис 3) Данный элек-тродвигатель относится к синхронным двигате-лям с постоянными магнитами Габаритные раз-меры 1DB2016-1NB06 в миллиметрах составляют 463 times 520 times 569 Мощность двигателя при длитель-ном режиме работы mdash 160 кВт Максимальная ча-стота вращения вала ротора электродвигателя mdash 3 500 обмин Внешняя характеристика электродви-гателя представлена на рис 4

На электробусе установлен задний мост фир-мы ZF mdash AV 133 (рис 5) Максимальная нагрузка на ось mdash 13 000 кг Передаточное число главной пе-редачи составляет 735 Масса моста заправленного маслом mdash 973 кг КПД моста принят равным 097

Передней осью электробуса служит ZF RL 85A (рис 6) Максимальная нагрузка на ось mdash 8 500 кг Масса передней оси mdash 527 кг

Электробус оснащён шестью LiNiMnCo-батареями (NMC) PE350-689 компании ENERZ (рис 7) Ёмкость одной батареи mdash 35 Ач напряжение mdash 689 В Габа-ритные размеры в миллиметрах 1 452 times 670 times 404

Электробус оснащён тяговым инвертором ELFA2 DV-650WH компании Siemens (рис 8) Номиналь-ный ток и напряжение инвертора составляют 250 А и 650 В соответственно Масса инвертора mdash 30 кг Для предотвращения перегрева инвертор оснащён жидкостной системой охлаждения

Электробус эксплуатируется на маршруте M2 в Москве (рис 9) На маршруте 25 остановок в пря-мом и 26 в обратном направлении Протяжённость маршрута в прямом направлении mdash 1113 км в об-ратном mdash 1117 км

Запись параметров движения электробуса для дальнейшего анализа на ПК производится при помощи CAN-шины

Передача данных от CAN-шины к персональному компьютеру для сбора информации осуществля-ется посредством PCAN-USB-адаптера компании PEAK-System (рис 10) Данное устройство позволя-ет конвертировать CAN-сигнал в сигнал доступный для передачи на ПК

Таким образом за счёт получения и обработки необходимых сигналов CAN-шины была реализова-

Рисунок 1 Электробус ЛиАЗ на базе планера 529230

Рисунок 2 Габаритные

размеры ЛиАЗ-529230

Рисунок 3 Siemens PEM Motor 1DB2016-1NB06

Журнал автомобильных инженеров 17

Рисунок 4 Внешняя характеристика Siemens PEM Motor 1DB2016-1NB06

Рисунок 5 ZF AV 133 а mdash общий вид

б mdash габаритные размеры

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ18

на возможность определения таких параметров дви-жения электробуса как

bull время движения t секbull напряжение на электродвигателе U Bbull сила тока на электродвигателе I Abull скорость электробуса υ кмч (вычисляется кон-

троллером при помощи штатного датчика частоты вращения ротора двигателя)

Запись производилась при помощи программного комплекса MATLABSimulink [3] в режиме реаль-ного времени с частотой дискретизации равной 001 сек (рис 11)

Пройденный путь s и электрическая энергия J за-траченная на разгон и рекуперированная при тормо-жении электробуса вычислялись путём численного интегрирования полученных данных по формулам

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОБУСА

Для использования рассмотренной модели движе-ния электробуса необходимо определить следующие параметры

1 Коэффициент аэродинамического сопротивле-ния электробуса

2 Коэффициент сопротивления качению электро-буса

Так как в ходе испытаний электробус двигается со скоростью не превышающей 30 кмч а также учи-тывая сложность экспериментального определения коэффициента аэродинамического сопротивления было решено принять его равным 068 на основании испытаний проведённых ФГУП laquoНАМИraquo совместно

Рисунок 6 ZF RL 85A

Рисунок 7 ENERZ PE350-689

Рисунок 8 Siemens ELFA2 DV4-650WH

Рисунок 9 Маршрут электробуса M2

Журнал автомобильных инженеров 19

с ООО laquoЛиАЗraquo для рассматриваемого планера типа 5292

Коэффициент сопротивления качению электробу-са был определён согласно следующему алгоритму

1 Контролируем давление воздуха в шинах элек-тробуса (9 бар)

2 Активируем запись параметров движения элек-тробуса через CAN-шину

3 Разгоняем электробус до скорости 30 кмч4 Переводим режим движения электробуса в ре-

жим выбега без рекуперации энергии5 После прохождения электробусом мерного

участка протяжённостью 30ndash40 м останавливаем электробус тормозной системой и завершаем запись параметров движения через CAN-шину

Испытание необходимо проводить на ровной гори-зонтальной опорной поверхности

При движении электробуса в режиме выбега за-медление происходит под действием силы сопро-тивления качению и механических потерь в узлах заднего моста передней оси и карданной передачи а также под действием силы сопротивления возду-ха Так как во время замера скорость электробуса изменяется в небольших пределах будем считать что сила сопротивления воздуха действующая на электробус постоянна Таким образом движение в режиме выбега можно считать равнозамедленным а коэффициент сопротивления качению возможно определять по следующей формуле

где f mdash коэффициент сопротивления качению s2 ndash s1

mdash длина мерного участка υ1 mdash скорость элек-тробуса в начале мерного участка υ2 mdash скорость электробуса в конце мерного участка δ mdash коэффи-циент учёта вращающихся масс

где JД mdash момент инерции двигателя Jki mdash момент инерции i-го колеса m mdash снаряжённая масса элек-тробуса uтр

mdash передаточное число трансмиссии электробуса rk0 mdash радиус качения колеса без сколь-жения

Площадь лобовой проекции электробуса приня-та равной 779 м2 Плотность воздуха mdash 125 кгм3 Моменты инерции двигателя и одного колеса равны 136 и 1082 кгmiddotм2 соответственно Радиус rk0 принят равным 477 мм Снаряжённая масса электробуса была определена экспериментально и составила 13 265 кг Таким образом коэффициент учёта вра-щающихся масс получился равным 1045

Для сбора серии статистических данных и исклю-чения влияния возможного уклона опорной поверх-ности было проведено по пять замеров при движе-нии электробуса в прямом и обратном направлениях (всего десять заездов)

Количество измерений было выбрано исходя из требования к ширине доверительного интерва-ла plusmnradicĎ при доверительной вероятности P = 95 При этом минимальное количество замеров опреде-ляется по формуле [5]

где tβ mdash коэффициент Стьюдента Sx mdash оценка сред-

неквадратического отклонения (Sx = plusmnradicĎ) Δ mdash поло-вина ширины доверительного интервала

Так как значение коэффициента Стьюдента зависит от количества измерений предложенное уравнение

Рисунок 10 PCAN-USB-адаптер

Рисунок 11 Процесс записи сигналов CAN-шины

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ20

необходимо решать методом последовательных при-ближений Результаты расчётов для различных дове-рительных вероятностей и доверительных интерва-лов приведены в табл 1 Обработка статистических данных проведена по следующему алгоритму [6]

1 Определяем оценки математического ожидания m и дисперсии Ď величины коэффициента сопротив-ления качению f по n независимым измерениям Счи-таем что f является случайной величиной распреде-лённой по нормальному закону распределения

2 Выбираем значение коэффициента Стьюден-та для рассматриваемого количества измерений и требуемой доверительной вероятности P (P = 95 n = 10 tβ = 226)

3 Определяем доверительный интервал

После обработки итогов эксперимента был полу-чен следующий результат (табл 2)

Полученные данные были использованы в модели движения электробуса для расчёта энергоэффектив-ного закона управления

ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОБУСА ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ

С целью доказательства обоснованности и до-стоверности результатов получаемых по итогам работы метода определения энергоэффективного закона движения были проведены испытания позво- ляющие верифицировать модель динамики и преоб-разования энергии электробуса

Для достижения поставленной цели необходимо чёткое воспроизведение расчётного закона движе-ния на полигоне и фиксация затраченной на движе-ние энергии

Испытания проводились на участке маршрута длиной 100 м с ограничением времени его прохож-дения равным 20 сек Для возможности воспроиз-ведения закона движения на полигоне необходимо чтобы закон изменения управляющего воздействия был экстремальным то есть параметр управления при движении принимал значения hдв

(движение с максимальным тяговым моментом электромаши-ны) 0 (движение в режиме выбега) ndashhрек (замедление с максимальным тормозным моментом рекуператив-ного тормоза) или ndashhT (замедление с максимальным тормозным моментом рекуперативного тормоза и рабочей тормозной системы) Для получения такой зависимости управляющего воздействия при расчёте энергоэффективного закона управления необходи-мо пренебречь зависимостью КПД электромашины от нагрузки [1] Кроме того при расчёте закона энергоэффективного управления необходимо учесть ограничение на ускорение равное 1 мс2 которое является стандартной настройкой рассматриваемо-го электробуса

Для реализации возможности точно следовать расчётной стратегии управления вдоль маршрута были нанесены метки указывающие водителю- испытателю в какой точке пути необходимо изме-нить режим управления

Расчётная стратегия управления электробусом представлена на рис 12 Расчётная величина затра-ченной на движение энергии составляет 240 кДж Таким образом в случае совпадения расчётной и экспериментально полученной фазовой траек-торий а также величины энергии затраченной на движение модель динамики и преобразования энергии электробуса можно считать верифициро-ванной

Алгоритм проведения замера следующий1 Водитель электробуса подъезжает к стартовой

точке и останавливается2 Активируется запись параметров движения

электробуса через CAN-шину

Таблица 1 Необходимое количество замеров в эксперименте

Sx Δ P = 90 P = 95 P = 99 1 5 7 11

05 13 19 31

04 19 27 46

03 32 46 78

01 273 387 668

Таблица 2 Результаты эксперимента по определению коэффи-

циента сопротивления качению

υ1 кмч υ2 кмч S2 ndash S1 м f1 f1 ndash m311 292 3879 001036 ndash000183

308 29 40 000931 ndash000288

31 292 3998 000936 ndash000283

308 289 3941 001011 ndash000208

312 294 3903 000969 ndash00025

308 286 3241 001484 000265

31 29 2993 001472 000253

307 289 2808 001396 000177

308 287 3004 001536 000317

31 29 3091 001419 0002

m = 001219 radicĎ = 00026

Итого f = 001219 plusmn 000185

Журнал автомобильных инженеров 21

Рисунок 12 Оптимальная

стратегия управления и фазовая

траектория на исследуемом

маршруте

Рисунок 13 Результаты

заездов по верификации модели

движения и преобразования

энергии электробуса

Рисунок 14 Расчётная

оптимальная фазовая траектория

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ22

3 Водитель управляя электробусом согласно оп-тимальной стратегии управления (рис 12) движется по исследуемому маршруту (от 0 до 24 м маршрута mdash движение с максимально возможным ускорением далее с 24 по 89 м mdash выбег без рекуперации энергии затем с 89 по 100 м mdash рекуперативное торможение с максимальным тормозным моментом в конце оста-новка электробуса производится механическими тормозами)

4 Остановка записи параметров движения через CAN-шину

Для набора статистических данных и исключения вли-яния возможного уклона опорной поверхности было проведено по пять заездов в прямом и обратном на-правлениях Количество измерений выбрано по мето-дике аналогичной той что применялась для определе-ния коэффициента сопротивления качению Сводные результаты всех десяти заездов приведены на рис 13

После обработки итогов эксперимента аналогич-но алгоритму который применялся для определения коэффициента сопротивления качению был полу-чен следующий результат (табл 3)

В ходе эксперимента было получено что откло-нение расчётного значения от экспериментального не превышает (246 кДж ndash 240 кДж) 246 кДжmiddot100 = 24 Кроме того расчётная и экспериментально полученная фазовые траектории очень близки (от-клонение не превышает 5 рис 13) Таким образом полученный результат соответствует расчётному и доказывает адекватность модели движения и пре-образования энергии электробуса соответственно её можно считать верифицированной

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОБУСА С ИСКОМЫМ ОПТИМАЛЬНЫМ ЗАКОНОМ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ С РЕЗУЛЬТАТАМИ ВОЖДЕНИЯ ВОДИТЕЛЯ-ИСПЫТАТЕЛЯ

Для оценки величины энергии которую позволит сохранить разработанный метод по сравнению с энергией затрачиваемой на движение электробу-са по маршруту на данный момент были проведены сравнительные испытания полученного закона энер-гоэффективного управления с результатами вожде-ния водителя-испытателя

В ходе испытаний водителю предлагалось преодо-леть мерный участок длиной 100 м за 20 сек затрачи-вая минимальное количество энергии на движение

Так как планируется что система управления электробусом должна полностью воспроизводить расчётный закон движения без участия водителя [1] сравнение целесообразно проводить с расчётной ве-

личиной энергии полученной в результате работы метода с учётом зависимости КПД электромашины от нагрузки Расчётная оптимальная фазовая траек-тория с учётом зависимости КПД электромашины от нагрузки представлена на рис 14

Оптимальным законом управления на расчётном мерном участке является

1 Разгон (промежуток пути от 0 до 31 м рис 14)2 Движение в режиме выбега (промежуток пути

от 31 до 79 м рис 14)3 Торможение рекуперативным тормозом (проме-

жуток пути от 79 до 100 м рис 14 в конце остановка электробуса производится механическими тормозами)

Расчётная величина затраченной энергии составляет 238 кДж

Во время эксперимента проводилась запись па-раметров движения электробуса через CAN-шину Для набора статистики и уменьшения влияния воз-можного уклона от водителя требовалось двигаться единообразно в прямом и обратном направлениях в течение пяти заездов Количество измерений вы-брано по методике аналогичной той что применя-лась для определения коэффициента сопротивления качению На рис 15 приведён результат замеров во-ждения водителя-испытателя

Согласно рис 15 можно сделать вывод о том что водитель не может поддерживать единообраз-ный закон движения даже на простом участке маршрута что увеличивает средние энергозатраты на движение по мерному участку

После проведения эксперимента было осущест-влено сравнение расчётных данных отражающих энергозатраты электробуса при движении согласно полученному энергоэффективному закону управле-ния с вождением водителя-испытателя После обра-

Таблица 3 Обработка итогов эксперимента верификации моде-

ли движения и преобразования энергии электробуса

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10362 2241 28092 3444

10326 2189 26135 1488

10223 2042 25755 1107

10315 2166 26996 2348

10363 2111 26565 1917

10333 2166 23223 ndash1425

10359 2054 19211 ndash5437

10313 2103 22903 ndash1745

10382 2096 24117 ndash531

10319 2106 23481 ndash1167

m = 24648 radicĎ = 2599

Итого J = 24648 plusmn 1857 кДж

Журнал автомобильных инженеров 23

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Бутарович Д О Метод разработки энергоэффективного за-кона управления электробусом при движении по городско-му маршруту Д О Бутарович Б Б Косицын Г О Коти-ев Труды НАМИ mdash 2017 mdash 2 (269) mdash С 16ndash27

2 Беллман Р Динамическое программирование mdash М Изда-тельство иностранной литературы 1960 mdash С 400

3 Ларин В В Теория движения полноприводных колёсных ма-шин учебник mdash М Издательство МГТУ им Н Э Баумана 2010 mdash С 391

4 MathWorks оф сайт [Электронный ресурс] URL httpwwwmathworkscom (дата обращения 01082017)

5 Спирин Н А Методы планирования и обработки результа-тов инженерного испытания конспект лекций (отдельные главы из учебника для вузов) Н А Спирин В В Лав-ров под общ ред Н А Спирина mdash Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 2004 mdash С 257

6 Вентцель Е С Теория вероятностей mdash М Наука 1969 mdash С 576

ботки данных зафиксированных при вождении во-дителя был получен следующий результат (табл 4)Таким образом результаты эксперимента по-казали что в сравнении со средней энергией за-траченной при вождении водителем-испытателем рассчитанная предложенным методом стратегия управления даёт возможность сохранить до (29663 кДж ndash 238 кДж) 29663 кДжmiddot100 = 197 энер-гии при движении по мерному участку за счёт опти-мального выбора моментов переключения режимов движения и обеспечения большей повторяемости реализации закона движения

ВЫВОД

Проведённые эксперименты позволили определить необходимые параметры модели движения электро-буса а также верифицировать её что доказывает

Таблица 4 Обработка итогов эксперимента по сравнению закона

энергоэффективного управления с вождением водителя-испытателя

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10799 1971 34388 4726

10383 2036 28599 ndash1064

10435 2081 25244 ndash4419

10369 2027 28213 ndash1450

10529 2200 24424 ndash5239

10422 2051 29035 ndash628

10939 1961 39447 9784

10532 1986 32497 2834

10473 2194 26505 ndash3158

10484 2095 28275 ndash1388

29663 4578

Итого J = 29663 plusmn 3271 кДж

обоснованность и достоверность результатов полу-чаемых по итогам работы метода определения энер-гоэффективного управления Сопоставление величи-ны энергии затраченной на движение полученной в результате теоретических расчётов с энергией затрачиваемой при управлении электробусом водите-лем-испытателем доказало возможность сохранения до 197 энергии даже на простом участке маршрута Полученный laquoвыигрышraquo энергии достигается путём оптимального выбора момента переключения режи-мов движения а также за счёт отсутствия у водителя возможности поддерживать единообразный закон движения при повторении одного и того же участка маршрута Полученные результаты доказывают не-обходимость оптимизации законов движения авто-мобильного электротранспорта между остановками при движении по городскому маршруту

Рисунок 15 Результаты

заездов водителя-испытателя

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ16

ОБЪЕКТ ИСПЫТАНИЙ И АППАРАТУРНО- ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

В качестве объекта испытаний используется элек-тробус разработанный laquoГруппой ГАЗraquo совместно со специалистами МГТУ им Н Э Баумана (рис 1)

Электробус создан на базе планера ЛиАЗ-529230 (рис 2) Масса электробуса в снаряжённом состоя-нии составляет 13 265 кг полная масса электробуса равна 18 000 кг

Электробус оснащён электродвигателем Siemens PEM Motor 1DB2016-1NB06 (рис 3) Данный элек-тродвигатель относится к синхронным двигате-лям с постоянными магнитами Габаритные раз-меры 1DB2016-1NB06 в миллиметрах составляют 463 times 520 times 569 Мощность двигателя при длитель-ном режиме работы mdash 160 кВт Максимальная ча-стота вращения вала ротора электродвигателя mdash 3 500 обмин Внешняя характеристика электродви-гателя представлена на рис 4

На электробусе установлен задний мост фир-мы ZF mdash AV 133 (рис 5) Максимальная нагрузка на ось mdash 13 000 кг Передаточное число главной пе-редачи составляет 735 Масса моста заправленного маслом mdash 973 кг КПД моста принят равным 097

Передней осью электробуса служит ZF RL 85A (рис 6) Максимальная нагрузка на ось mdash 8 500 кг Масса передней оси mdash 527 кг

Электробус оснащён шестью LiNiMnCo-батареями (NMC) PE350-689 компании ENERZ (рис 7) Ёмкость одной батареи mdash 35 Ач напряжение mdash 689 В Габа-ритные размеры в миллиметрах 1 452 times 670 times 404

Электробус оснащён тяговым инвертором ELFA2 DV-650WH компании Siemens (рис 8) Номиналь-ный ток и напряжение инвертора составляют 250 А и 650 В соответственно Масса инвертора mdash 30 кг Для предотвращения перегрева инвертор оснащён жидкостной системой охлаждения

Электробус эксплуатируется на маршруте M2 в Москве (рис 9) На маршруте 25 остановок в пря-мом и 26 в обратном направлении Протяжённость маршрута в прямом направлении mdash 1113 км в об-ратном mdash 1117 км

Запись параметров движения электробуса для дальнейшего анализа на ПК производится при помощи CAN-шины

Передача данных от CAN-шины к персональному компьютеру для сбора информации осуществля-ется посредством PCAN-USB-адаптера компании PEAK-System (рис 10) Данное устройство позволя-ет конвертировать CAN-сигнал в сигнал доступный для передачи на ПК

Таким образом за счёт получения и обработки необходимых сигналов CAN-шины была реализова-

Рисунок 1 Электробус ЛиАЗ на базе планера 529230

Рисунок 2 Габаритные

размеры ЛиАЗ-529230

Рисунок 3 Siemens PEM Motor 1DB2016-1NB06

Журнал автомобильных инженеров 17

Рисунок 4 Внешняя характеристика Siemens PEM Motor 1DB2016-1NB06

Рисунок 5 ZF AV 133 а mdash общий вид

б mdash габаритные размеры

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ18

на возможность определения таких параметров дви-жения электробуса как

bull время движения t секbull напряжение на электродвигателе U Bbull сила тока на электродвигателе I Abull скорость электробуса υ кмч (вычисляется кон-

троллером при помощи штатного датчика частоты вращения ротора двигателя)

Запись производилась при помощи программного комплекса MATLABSimulink [3] в режиме реаль-ного времени с частотой дискретизации равной 001 сек (рис 11)

Пройденный путь s и электрическая энергия J за-траченная на разгон и рекуперированная при тормо-жении электробуса вычислялись путём численного интегрирования полученных данных по формулам

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОБУСА

Для использования рассмотренной модели движе-ния электробуса необходимо определить следующие параметры

1 Коэффициент аэродинамического сопротивле-ния электробуса

2 Коэффициент сопротивления качению электро-буса

Так как в ходе испытаний электробус двигается со скоростью не превышающей 30 кмч а также учи-тывая сложность экспериментального определения коэффициента аэродинамического сопротивления было решено принять его равным 068 на основании испытаний проведённых ФГУП laquoНАМИraquo совместно

Рисунок 6 ZF RL 85A

Рисунок 7 ENERZ PE350-689

Рисунок 8 Siemens ELFA2 DV4-650WH

Рисунок 9 Маршрут электробуса M2

Журнал автомобильных инженеров 19

с ООО laquoЛиАЗraquo для рассматриваемого планера типа 5292

Коэффициент сопротивления качению электробу-са был определён согласно следующему алгоритму

1 Контролируем давление воздуха в шинах элек-тробуса (9 бар)

2 Активируем запись параметров движения элек-тробуса через CAN-шину

3 Разгоняем электробус до скорости 30 кмч4 Переводим режим движения электробуса в ре-

жим выбега без рекуперации энергии5 После прохождения электробусом мерного

участка протяжённостью 30ndash40 м останавливаем электробус тормозной системой и завершаем запись параметров движения через CAN-шину

Испытание необходимо проводить на ровной гори-зонтальной опорной поверхности

При движении электробуса в режиме выбега за-медление происходит под действием силы сопро-тивления качению и механических потерь в узлах заднего моста передней оси и карданной передачи а также под действием силы сопротивления возду-ха Так как во время замера скорость электробуса изменяется в небольших пределах будем считать что сила сопротивления воздуха действующая на электробус постоянна Таким образом движение в режиме выбега можно считать равнозамедленным а коэффициент сопротивления качению возможно определять по следующей формуле

где f mdash коэффициент сопротивления качению s2 ndash s1

mdash длина мерного участка υ1 mdash скорость элек-тробуса в начале мерного участка υ2 mdash скорость электробуса в конце мерного участка δ mdash коэффи-циент учёта вращающихся масс

где JД mdash момент инерции двигателя Jki mdash момент инерции i-го колеса m mdash снаряжённая масса элек-тробуса uтр

mdash передаточное число трансмиссии электробуса rk0 mdash радиус качения колеса без сколь-жения

Площадь лобовой проекции электробуса приня-та равной 779 м2 Плотность воздуха mdash 125 кгм3 Моменты инерции двигателя и одного колеса равны 136 и 1082 кгmiddotм2 соответственно Радиус rk0 принят равным 477 мм Снаряжённая масса электробуса была определена экспериментально и составила 13 265 кг Таким образом коэффициент учёта вра-щающихся масс получился равным 1045

Для сбора серии статистических данных и исклю-чения влияния возможного уклона опорной поверх-ности было проведено по пять замеров при движе-нии электробуса в прямом и обратном направлениях (всего десять заездов)

Количество измерений было выбрано исходя из требования к ширине доверительного интерва-ла plusmnradicĎ при доверительной вероятности P = 95 При этом минимальное количество замеров опреде-ляется по формуле [5]

где tβ mdash коэффициент Стьюдента Sx mdash оценка сред-

неквадратического отклонения (Sx = plusmnradicĎ) Δ mdash поло-вина ширины доверительного интервала

Так как значение коэффициента Стьюдента зависит от количества измерений предложенное уравнение

Рисунок 10 PCAN-USB-адаптер

Рисунок 11 Процесс записи сигналов CAN-шины

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ20

необходимо решать методом последовательных при-ближений Результаты расчётов для различных дове-рительных вероятностей и доверительных интерва-лов приведены в табл 1 Обработка статистических данных проведена по следующему алгоритму [6]

1 Определяем оценки математического ожидания m и дисперсии Ď величины коэффициента сопротив-ления качению f по n независимым измерениям Счи-таем что f является случайной величиной распреде-лённой по нормальному закону распределения

2 Выбираем значение коэффициента Стьюден-та для рассматриваемого количества измерений и требуемой доверительной вероятности P (P = 95 n = 10 tβ = 226)

3 Определяем доверительный интервал

После обработки итогов эксперимента был полу-чен следующий результат (табл 2)

Полученные данные были использованы в модели движения электробуса для расчёта энергоэффектив-ного закона управления

ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОБУСА ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ

С целью доказательства обоснованности и до-стоверности результатов получаемых по итогам работы метода определения энергоэффективного закона движения были проведены испытания позво- ляющие верифицировать модель динамики и преоб-разования энергии электробуса

Для достижения поставленной цели необходимо чёткое воспроизведение расчётного закона движе-ния на полигоне и фиксация затраченной на движе-ние энергии

Испытания проводились на участке маршрута длиной 100 м с ограничением времени его прохож-дения равным 20 сек Для возможности воспроиз-ведения закона движения на полигоне необходимо чтобы закон изменения управляющего воздействия был экстремальным то есть параметр управления при движении принимал значения hдв

(движение с максимальным тяговым моментом электромаши-ны) 0 (движение в режиме выбега) ndashhрек (замедление с максимальным тормозным моментом рекуператив-ного тормоза) или ndashhT (замедление с максимальным тормозным моментом рекуперативного тормоза и рабочей тормозной системы) Для получения такой зависимости управляющего воздействия при расчёте энергоэффективного закона управления необходи-мо пренебречь зависимостью КПД электромашины от нагрузки [1] Кроме того при расчёте закона энергоэффективного управления необходимо учесть ограничение на ускорение равное 1 мс2 которое является стандартной настройкой рассматриваемо-го электробуса

Для реализации возможности точно следовать расчётной стратегии управления вдоль маршрута были нанесены метки указывающие водителю- испытателю в какой точке пути необходимо изме-нить режим управления

Расчётная стратегия управления электробусом представлена на рис 12 Расчётная величина затра-ченной на движение энергии составляет 240 кДж Таким образом в случае совпадения расчётной и экспериментально полученной фазовой траек-торий а также величины энергии затраченной на движение модель динамики и преобразования энергии электробуса можно считать верифициро-ванной

Алгоритм проведения замера следующий1 Водитель электробуса подъезжает к стартовой

точке и останавливается2 Активируется запись параметров движения

электробуса через CAN-шину

Таблица 1 Необходимое количество замеров в эксперименте

Sx Δ P = 90 P = 95 P = 99 1 5 7 11

05 13 19 31

04 19 27 46

03 32 46 78

01 273 387 668

Таблица 2 Результаты эксперимента по определению коэффи-

циента сопротивления качению

υ1 кмч υ2 кмч S2 ndash S1 м f1 f1 ndash m311 292 3879 001036 ndash000183

308 29 40 000931 ndash000288

31 292 3998 000936 ndash000283

308 289 3941 001011 ndash000208

312 294 3903 000969 ndash00025

308 286 3241 001484 000265

31 29 2993 001472 000253

307 289 2808 001396 000177

308 287 3004 001536 000317

31 29 3091 001419 0002

m = 001219 radicĎ = 00026

Итого f = 001219 plusmn 000185

Журнал автомобильных инженеров 21

Рисунок 12 Оптимальная

стратегия управления и фазовая

траектория на исследуемом

маршруте

Рисунок 13 Результаты

заездов по верификации модели

движения и преобразования

энергии электробуса

Рисунок 14 Расчётная

оптимальная фазовая траектория

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ22

3 Водитель управляя электробусом согласно оп-тимальной стратегии управления (рис 12) движется по исследуемому маршруту (от 0 до 24 м маршрута mdash движение с максимально возможным ускорением далее с 24 по 89 м mdash выбег без рекуперации энергии затем с 89 по 100 м mdash рекуперативное торможение с максимальным тормозным моментом в конце оста-новка электробуса производится механическими тормозами)

4 Остановка записи параметров движения через CAN-шину

Для набора статистических данных и исключения вли-яния возможного уклона опорной поверхности было проведено по пять заездов в прямом и обратном на-правлениях Количество измерений выбрано по мето-дике аналогичной той что применялась для определе-ния коэффициента сопротивления качению Сводные результаты всех десяти заездов приведены на рис 13

После обработки итогов эксперимента аналогич-но алгоритму который применялся для определения коэффициента сопротивления качению был полу-чен следующий результат (табл 3)

В ходе эксперимента было получено что откло-нение расчётного значения от экспериментального не превышает (246 кДж ndash 240 кДж) 246 кДжmiddot100 = 24 Кроме того расчётная и экспериментально полученная фазовые траектории очень близки (от-клонение не превышает 5 рис 13) Таким образом полученный результат соответствует расчётному и доказывает адекватность модели движения и пре-образования энергии электробуса соответственно её можно считать верифицированной

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОБУСА С ИСКОМЫМ ОПТИМАЛЬНЫМ ЗАКОНОМ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ С РЕЗУЛЬТАТАМИ ВОЖДЕНИЯ ВОДИТЕЛЯ-ИСПЫТАТЕЛЯ

Для оценки величины энергии которую позволит сохранить разработанный метод по сравнению с энергией затрачиваемой на движение электробу-са по маршруту на данный момент были проведены сравнительные испытания полученного закона энер-гоэффективного управления с результатами вожде-ния водителя-испытателя

В ходе испытаний водителю предлагалось преодо-леть мерный участок длиной 100 м за 20 сек затрачи-вая минимальное количество энергии на движение

Так как планируется что система управления электробусом должна полностью воспроизводить расчётный закон движения без участия водителя [1] сравнение целесообразно проводить с расчётной ве-

личиной энергии полученной в результате работы метода с учётом зависимости КПД электромашины от нагрузки Расчётная оптимальная фазовая траек-тория с учётом зависимости КПД электромашины от нагрузки представлена на рис 14

Оптимальным законом управления на расчётном мерном участке является

1 Разгон (промежуток пути от 0 до 31 м рис 14)2 Движение в режиме выбега (промежуток пути

от 31 до 79 м рис 14)3 Торможение рекуперативным тормозом (проме-

жуток пути от 79 до 100 м рис 14 в конце остановка электробуса производится механическими тормозами)

Расчётная величина затраченной энергии составляет 238 кДж

Во время эксперимента проводилась запись па-раметров движения электробуса через CAN-шину Для набора статистики и уменьшения влияния воз-можного уклона от водителя требовалось двигаться единообразно в прямом и обратном направлениях в течение пяти заездов Количество измерений вы-брано по методике аналогичной той что применя-лась для определения коэффициента сопротивления качению На рис 15 приведён результат замеров во-ждения водителя-испытателя

Согласно рис 15 можно сделать вывод о том что водитель не может поддерживать единообраз-ный закон движения даже на простом участке маршрута что увеличивает средние энергозатраты на движение по мерному участку

После проведения эксперимента было осущест-влено сравнение расчётных данных отражающих энергозатраты электробуса при движении согласно полученному энергоэффективному закону управле-ния с вождением водителя-испытателя После обра-

Таблица 3 Обработка итогов эксперимента верификации моде-

ли движения и преобразования энергии электробуса

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10362 2241 28092 3444

10326 2189 26135 1488

10223 2042 25755 1107

10315 2166 26996 2348

10363 2111 26565 1917

10333 2166 23223 ndash1425

10359 2054 19211 ndash5437

10313 2103 22903 ndash1745

10382 2096 24117 ndash531

10319 2106 23481 ndash1167

m = 24648 radicĎ = 2599

Итого J = 24648 plusmn 1857 кДж

Журнал автомобильных инженеров 23

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Бутарович Д О Метод разработки энергоэффективного за-кона управления электробусом при движении по городско-му маршруту Д О Бутарович Б Б Косицын Г О Коти-ев Труды НАМИ mdash 2017 mdash 2 (269) mdash С 16ndash27

2 Беллман Р Динамическое программирование mdash М Изда-тельство иностранной литературы 1960 mdash С 400

3 Ларин В В Теория движения полноприводных колёсных ма-шин учебник mdash М Издательство МГТУ им Н Э Баумана 2010 mdash С 391

4 MathWorks оф сайт [Электронный ресурс] URL httpwwwmathworkscom (дата обращения 01082017)

5 Спирин Н А Методы планирования и обработки результа-тов инженерного испытания конспект лекций (отдельные главы из учебника для вузов) Н А Спирин В В Лав-ров под общ ред Н А Спирина mdash Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 2004 mdash С 257

6 Вентцель Е С Теория вероятностей mdash М Наука 1969 mdash С 576

ботки данных зафиксированных при вождении во-дителя был получен следующий результат (табл 4)Таким образом результаты эксперимента по-казали что в сравнении со средней энергией за-траченной при вождении водителем-испытателем рассчитанная предложенным методом стратегия управления даёт возможность сохранить до (29663 кДж ndash 238 кДж) 29663 кДжmiddot100 = 197 энер-гии при движении по мерному участку за счёт опти-мального выбора моментов переключения режимов движения и обеспечения большей повторяемости реализации закона движения

ВЫВОД

Проведённые эксперименты позволили определить необходимые параметры модели движения электро-буса а также верифицировать её что доказывает

Таблица 4 Обработка итогов эксперимента по сравнению закона

энергоэффективного управления с вождением водителя-испытателя

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10799 1971 34388 4726

10383 2036 28599 ndash1064

10435 2081 25244 ndash4419

10369 2027 28213 ndash1450

10529 2200 24424 ndash5239

10422 2051 29035 ndash628

10939 1961 39447 9784

10532 1986 32497 2834

10473 2194 26505 ndash3158

10484 2095 28275 ndash1388

29663 4578

Итого J = 29663 plusmn 3271 кДж

обоснованность и достоверность результатов полу-чаемых по итогам работы метода определения энер-гоэффективного управления Сопоставление величи-ны энергии затраченной на движение полученной в результате теоретических расчётов с энергией затрачиваемой при управлении электробусом водите-лем-испытателем доказало возможность сохранения до 197 энергии даже на простом участке маршрута Полученный laquoвыигрышraquo энергии достигается путём оптимального выбора момента переключения режи-мов движения а также за счёт отсутствия у водителя возможности поддерживать единообразный закон движения при повторении одного и того же участка маршрута Полученные результаты доказывают не-обходимость оптимизации законов движения авто-мобильного электротранспорта между остановками при движении по городскому маршруту

Рисунок 15 Результаты

заездов водителя-испытателя

Журнал автомобильных инженеров 17

Рисунок 4 Внешняя характеристика Siemens PEM Motor 1DB2016-1NB06

Рисунок 5 ZF AV 133 а mdash общий вид

б mdash габаритные размеры

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ18

на возможность определения таких параметров дви-жения электробуса как

bull время движения t секbull напряжение на электродвигателе U Bbull сила тока на электродвигателе I Abull скорость электробуса υ кмч (вычисляется кон-

троллером при помощи штатного датчика частоты вращения ротора двигателя)

Запись производилась при помощи программного комплекса MATLABSimulink [3] в режиме реаль-ного времени с частотой дискретизации равной 001 сек (рис 11)

Пройденный путь s и электрическая энергия J за-траченная на разгон и рекуперированная при тормо-жении электробуса вычислялись путём численного интегрирования полученных данных по формулам

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОБУСА

Для использования рассмотренной модели движе-ния электробуса необходимо определить следующие параметры

1 Коэффициент аэродинамического сопротивле-ния электробуса

2 Коэффициент сопротивления качению электро-буса

Так как в ходе испытаний электробус двигается со скоростью не превышающей 30 кмч а также учи-тывая сложность экспериментального определения коэффициента аэродинамического сопротивления было решено принять его равным 068 на основании испытаний проведённых ФГУП laquoНАМИraquo совместно

Рисунок 6 ZF RL 85A

Рисунок 7 ENERZ PE350-689

Рисунок 8 Siemens ELFA2 DV4-650WH

Рисунок 9 Маршрут электробуса M2

Журнал автомобильных инженеров 19

с ООО laquoЛиАЗraquo для рассматриваемого планера типа 5292

Коэффициент сопротивления качению электробу-са был определён согласно следующему алгоритму

1 Контролируем давление воздуха в шинах элек-тробуса (9 бар)

2 Активируем запись параметров движения элек-тробуса через CAN-шину

3 Разгоняем электробус до скорости 30 кмч4 Переводим режим движения электробуса в ре-

жим выбега без рекуперации энергии5 После прохождения электробусом мерного

участка протяжённостью 30ndash40 м останавливаем электробус тормозной системой и завершаем запись параметров движения через CAN-шину

Испытание необходимо проводить на ровной гори-зонтальной опорной поверхности

При движении электробуса в режиме выбега за-медление происходит под действием силы сопро-тивления качению и механических потерь в узлах заднего моста передней оси и карданной передачи а также под действием силы сопротивления возду-ха Так как во время замера скорость электробуса изменяется в небольших пределах будем считать что сила сопротивления воздуха действующая на электробус постоянна Таким образом движение в режиме выбега можно считать равнозамедленным а коэффициент сопротивления качению возможно определять по следующей формуле

где f mdash коэффициент сопротивления качению s2 ndash s1

mdash длина мерного участка υ1 mdash скорость элек-тробуса в начале мерного участка υ2 mdash скорость электробуса в конце мерного участка δ mdash коэффи-циент учёта вращающихся масс

где JД mdash момент инерции двигателя Jki mdash момент инерции i-го колеса m mdash снаряжённая масса элек-тробуса uтр

mdash передаточное число трансмиссии электробуса rk0 mdash радиус качения колеса без сколь-жения

Площадь лобовой проекции электробуса приня-та равной 779 м2 Плотность воздуха mdash 125 кгм3 Моменты инерции двигателя и одного колеса равны 136 и 1082 кгmiddotм2 соответственно Радиус rk0 принят равным 477 мм Снаряжённая масса электробуса была определена экспериментально и составила 13 265 кг Таким образом коэффициент учёта вра-щающихся масс получился равным 1045

Для сбора серии статистических данных и исклю-чения влияния возможного уклона опорной поверх-ности было проведено по пять замеров при движе-нии электробуса в прямом и обратном направлениях (всего десять заездов)

Количество измерений было выбрано исходя из требования к ширине доверительного интерва-ла plusmnradicĎ при доверительной вероятности P = 95 При этом минимальное количество замеров опреде-ляется по формуле [5]

где tβ mdash коэффициент Стьюдента Sx mdash оценка сред-

неквадратического отклонения (Sx = plusmnradicĎ) Δ mdash поло-вина ширины доверительного интервала

Так как значение коэффициента Стьюдента зависит от количества измерений предложенное уравнение

Рисунок 10 PCAN-USB-адаптер

Рисунок 11 Процесс записи сигналов CAN-шины

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ20

необходимо решать методом последовательных при-ближений Результаты расчётов для различных дове-рительных вероятностей и доверительных интерва-лов приведены в табл 1 Обработка статистических данных проведена по следующему алгоритму [6]

1 Определяем оценки математического ожидания m и дисперсии Ď величины коэффициента сопротив-ления качению f по n независимым измерениям Счи-таем что f является случайной величиной распреде-лённой по нормальному закону распределения

2 Выбираем значение коэффициента Стьюден-та для рассматриваемого количества измерений и требуемой доверительной вероятности P (P = 95 n = 10 tβ = 226)

3 Определяем доверительный интервал

После обработки итогов эксперимента был полу-чен следующий результат (табл 2)

Полученные данные были использованы в модели движения электробуса для расчёта энергоэффектив-ного закона управления

ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОБУСА ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ

С целью доказательства обоснованности и до-стоверности результатов получаемых по итогам работы метода определения энергоэффективного закона движения были проведены испытания позво- ляющие верифицировать модель динамики и преоб-разования энергии электробуса

Для достижения поставленной цели необходимо чёткое воспроизведение расчётного закона движе-ния на полигоне и фиксация затраченной на движе-ние энергии

Испытания проводились на участке маршрута длиной 100 м с ограничением времени его прохож-дения равным 20 сек Для возможности воспроиз-ведения закона движения на полигоне необходимо чтобы закон изменения управляющего воздействия был экстремальным то есть параметр управления при движении принимал значения hдв

(движение с максимальным тяговым моментом электромаши-ны) 0 (движение в режиме выбега) ndashhрек (замедление с максимальным тормозным моментом рекуператив-ного тормоза) или ndashhT (замедление с максимальным тормозным моментом рекуперативного тормоза и рабочей тормозной системы) Для получения такой зависимости управляющего воздействия при расчёте энергоэффективного закона управления необходи-мо пренебречь зависимостью КПД электромашины от нагрузки [1] Кроме того при расчёте закона энергоэффективного управления необходимо учесть ограничение на ускорение равное 1 мс2 которое является стандартной настройкой рассматриваемо-го электробуса

Для реализации возможности точно следовать расчётной стратегии управления вдоль маршрута были нанесены метки указывающие водителю- испытателю в какой точке пути необходимо изме-нить режим управления

Расчётная стратегия управления электробусом представлена на рис 12 Расчётная величина затра-ченной на движение энергии составляет 240 кДж Таким образом в случае совпадения расчётной и экспериментально полученной фазовой траек-торий а также величины энергии затраченной на движение модель динамики и преобразования энергии электробуса можно считать верифициро-ванной

Алгоритм проведения замера следующий1 Водитель электробуса подъезжает к стартовой

точке и останавливается2 Активируется запись параметров движения

электробуса через CAN-шину

Таблица 1 Необходимое количество замеров в эксперименте

Sx Δ P = 90 P = 95 P = 99 1 5 7 11

05 13 19 31

04 19 27 46

03 32 46 78

01 273 387 668

Таблица 2 Результаты эксперимента по определению коэффи-

циента сопротивления качению

υ1 кмч υ2 кмч S2 ndash S1 м f1 f1 ndash m311 292 3879 001036 ndash000183

308 29 40 000931 ndash000288

31 292 3998 000936 ndash000283

308 289 3941 001011 ndash000208

312 294 3903 000969 ndash00025

308 286 3241 001484 000265

31 29 2993 001472 000253

307 289 2808 001396 000177

308 287 3004 001536 000317

31 29 3091 001419 0002

m = 001219 radicĎ = 00026

Итого f = 001219 plusmn 000185

Журнал автомобильных инженеров 21

Рисунок 12 Оптимальная

стратегия управления и фазовая

траектория на исследуемом

маршруте

Рисунок 13 Результаты

заездов по верификации модели

движения и преобразования

энергии электробуса

Рисунок 14 Расчётная

оптимальная фазовая траектория

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ22

3 Водитель управляя электробусом согласно оп-тимальной стратегии управления (рис 12) движется по исследуемому маршруту (от 0 до 24 м маршрута mdash движение с максимально возможным ускорением далее с 24 по 89 м mdash выбег без рекуперации энергии затем с 89 по 100 м mdash рекуперативное торможение с максимальным тормозным моментом в конце оста-новка электробуса производится механическими тормозами)

4 Остановка записи параметров движения через CAN-шину

Для набора статистических данных и исключения вли-яния возможного уклона опорной поверхности было проведено по пять заездов в прямом и обратном на-правлениях Количество измерений выбрано по мето-дике аналогичной той что применялась для определе-ния коэффициента сопротивления качению Сводные результаты всех десяти заездов приведены на рис 13

После обработки итогов эксперимента аналогич-но алгоритму который применялся для определения коэффициента сопротивления качению был полу-чен следующий результат (табл 3)

В ходе эксперимента было получено что откло-нение расчётного значения от экспериментального не превышает (246 кДж ndash 240 кДж) 246 кДжmiddot100 = 24 Кроме того расчётная и экспериментально полученная фазовые траектории очень близки (от-клонение не превышает 5 рис 13) Таким образом полученный результат соответствует расчётному и доказывает адекватность модели движения и пре-образования энергии электробуса соответственно её можно считать верифицированной

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОБУСА С ИСКОМЫМ ОПТИМАЛЬНЫМ ЗАКОНОМ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ С РЕЗУЛЬТАТАМИ ВОЖДЕНИЯ ВОДИТЕЛЯ-ИСПЫТАТЕЛЯ

Для оценки величины энергии которую позволит сохранить разработанный метод по сравнению с энергией затрачиваемой на движение электробу-са по маршруту на данный момент были проведены сравнительные испытания полученного закона энер-гоэффективного управления с результатами вожде-ния водителя-испытателя

В ходе испытаний водителю предлагалось преодо-леть мерный участок длиной 100 м за 20 сек затрачи-вая минимальное количество энергии на движение

Так как планируется что система управления электробусом должна полностью воспроизводить расчётный закон движения без участия водителя [1] сравнение целесообразно проводить с расчётной ве-

личиной энергии полученной в результате работы метода с учётом зависимости КПД электромашины от нагрузки Расчётная оптимальная фазовая траек-тория с учётом зависимости КПД электромашины от нагрузки представлена на рис 14

Оптимальным законом управления на расчётном мерном участке является

1 Разгон (промежуток пути от 0 до 31 м рис 14)2 Движение в режиме выбега (промежуток пути

от 31 до 79 м рис 14)3 Торможение рекуперативным тормозом (проме-

жуток пути от 79 до 100 м рис 14 в конце остановка электробуса производится механическими тормозами)

Расчётная величина затраченной энергии составляет 238 кДж

Во время эксперимента проводилась запись па-раметров движения электробуса через CAN-шину Для набора статистики и уменьшения влияния воз-можного уклона от водителя требовалось двигаться единообразно в прямом и обратном направлениях в течение пяти заездов Количество измерений вы-брано по методике аналогичной той что применя-лась для определения коэффициента сопротивления качению На рис 15 приведён результат замеров во-ждения водителя-испытателя

Согласно рис 15 можно сделать вывод о том что водитель не может поддерживать единообраз-ный закон движения даже на простом участке маршрута что увеличивает средние энергозатраты на движение по мерному участку

После проведения эксперимента было осущест-влено сравнение расчётных данных отражающих энергозатраты электробуса при движении согласно полученному энергоэффективному закону управле-ния с вождением водителя-испытателя После обра-

Таблица 3 Обработка итогов эксперимента верификации моде-

ли движения и преобразования энергии электробуса

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10362 2241 28092 3444

10326 2189 26135 1488

10223 2042 25755 1107

10315 2166 26996 2348

10363 2111 26565 1917

10333 2166 23223 ndash1425

10359 2054 19211 ndash5437

10313 2103 22903 ndash1745

10382 2096 24117 ndash531

10319 2106 23481 ndash1167

m = 24648 radicĎ = 2599

Итого J = 24648 plusmn 1857 кДж

Журнал автомобильных инженеров 23

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Бутарович Д О Метод разработки энергоэффективного за-кона управления электробусом при движении по городско-му маршруту Д О Бутарович Б Б Косицын Г О Коти-ев Труды НАМИ mdash 2017 mdash 2 (269) mdash С 16ndash27

2 Беллман Р Динамическое программирование mdash М Изда-тельство иностранной литературы 1960 mdash С 400

3 Ларин В В Теория движения полноприводных колёсных ма-шин учебник mdash М Издательство МГТУ им Н Э Баумана 2010 mdash С 391

4 MathWorks оф сайт [Электронный ресурс] URL httpwwwmathworkscom (дата обращения 01082017)

5 Спирин Н А Методы планирования и обработки результа-тов инженерного испытания конспект лекций (отдельные главы из учебника для вузов) Н А Спирин В В Лав-ров под общ ред Н А Спирина mdash Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 2004 mdash С 257

6 Вентцель Е С Теория вероятностей mdash М Наука 1969 mdash С 576

ботки данных зафиксированных при вождении во-дителя был получен следующий результат (табл 4)Таким образом результаты эксперимента по-казали что в сравнении со средней энергией за-траченной при вождении водителем-испытателем рассчитанная предложенным методом стратегия управления даёт возможность сохранить до (29663 кДж ndash 238 кДж) 29663 кДжmiddot100 = 197 энер-гии при движении по мерному участку за счёт опти-мального выбора моментов переключения режимов движения и обеспечения большей повторяемости реализации закона движения

ВЫВОД

Проведённые эксперименты позволили определить необходимые параметры модели движения электро-буса а также верифицировать её что доказывает

Таблица 4 Обработка итогов эксперимента по сравнению закона

энергоэффективного управления с вождением водителя-испытателя

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10799 1971 34388 4726

10383 2036 28599 ndash1064

10435 2081 25244 ndash4419

10369 2027 28213 ndash1450

10529 2200 24424 ndash5239

10422 2051 29035 ndash628

10939 1961 39447 9784

10532 1986 32497 2834

10473 2194 26505 ndash3158

10484 2095 28275 ndash1388

29663 4578

Итого J = 29663 plusmn 3271 кДж

обоснованность и достоверность результатов полу-чаемых по итогам работы метода определения энер-гоэффективного управления Сопоставление величи-ны энергии затраченной на движение полученной в результате теоретических расчётов с энергией затрачиваемой при управлении электробусом водите-лем-испытателем доказало возможность сохранения до 197 энергии даже на простом участке маршрута Полученный laquoвыигрышraquo энергии достигается путём оптимального выбора момента переключения режи-мов движения а также за счёт отсутствия у водителя возможности поддерживать единообразный закон движения при повторении одного и того же участка маршрута Полученные результаты доказывают не-обходимость оптимизации законов движения авто-мобильного электротранспорта между остановками при движении по городскому маршруту

Рисунок 15 Результаты

заездов водителя-испытателя

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ18

на возможность определения таких параметров дви-жения электробуса как

bull время движения t секbull напряжение на электродвигателе U Bbull сила тока на электродвигателе I Abull скорость электробуса υ кмч (вычисляется кон-

троллером при помощи штатного датчика частоты вращения ротора двигателя)

Запись производилась при помощи программного комплекса MATLABSimulink [3] в режиме реаль-ного времени с частотой дискретизации равной 001 сек (рис 11)

Пройденный путь s и электрическая энергия J за-траченная на разгон и рекуперированная при тормо-жении электробуса вычислялись путём численного интегрирования полученных данных по формулам

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОБУСА

Для использования рассмотренной модели движе-ния электробуса необходимо определить следующие параметры

1 Коэффициент аэродинамического сопротивле-ния электробуса

2 Коэффициент сопротивления качению электро-буса

Так как в ходе испытаний электробус двигается со скоростью не превышающей 30 кмч а также учи-тывая сложность экспериментального определения коэффициента аэродинамического сопротивления было решено принять его равным 068 на основании испытаний проведённых ФГУП laquoНАМИraquo совместно

Рисунок 6 ZF RL 85A

Рисунок 7 ENERZ PE350-689

Рисунок 8 Siemens ELFA2 DV4-650WH

Рисунок 9 Маршрут электробуса M2

Журнал автомобильных инженеров 19

с ООО laquoЛиАЗraquo для рассматриваемого планера типа 5292

Коэффициент сопротивления качению электробу-са был определён согласно следующему алгоритму

1 Контролируем давление воздуха в шинах элек-тробуса (9 бар)

2 Активируем запись параметров движения элек-тробуса через CAN-шину

3 Разгоняем электробус до скорости 30 кмч4 Переводим режим движения электробуса в ре-

жим выбега без рекуперации энергии5 После прохождения электробусом мерного

участка протяжённостью 30ndash40 м останавливаем электробус тормозной системой и завершаем запись параметров движения через CAN-шину

Испытание необходимо проводить на ровной гори-зонтальной опорной поверхности

При движении электробуса в режиме выбега за-медление происходит под действием силы сопро-тивления качению и механических потерь в узлах заднего моста передней оси и карданной передачи а также под действием силы сопротивления возду-ха Так как во время замера скорость электробуса изменяется в небольших пределах будем считать что сила сопротивления воздуха действующая на электробус постоянна Таким образом движение в режиме выбега можно считать равнозамедленным а коэффициент сопротивления качению возможно определять по следующей формуле

где f mdash коэффициент сопротивления качению s2 ndash s1

mdash длина мерного участка υ1 mdash скорость элек-тробуса в начале мерного участка υ2 mdash скорость электробуса в конце мерного участка δ mdash коэффи-циент учёта вращающихся масс

где JД mdash момент инерции двигателя Jki mdash момент инерции i-го колеса m mdash снаряжённая масса элек-тробуса uтр

mdash передаточное число трансмиссии электробуса rk0 mdash радиус качения колеса без сколь-жения

Площадь лобовой проекции электробуса приня-та равной 779 м2 Плотность воздуха mdash 125 кгм3 Моменты инерции двигателя и одного колеса равны 136 и 1082 кгmiddotм2 соответственно Радиус rk0 принят равным 477 мм Снаряжённая масса электробуса была определена экспериментально и составила 13 265 кг Таким образом коэффициент учёта вра-щающихся масс получился равным 1045

Для сбора серии статистических данных и исклю-чения влияния возможного уклона опорной поверх-ности было проведено по пять замеров при движе-нии электробуса в прямом и обратном направлениях (всего десять заездов)

Количество измерений было выбрано исходя из требования к ширине доверительного интерва-ла plusmnradicĎ при доверительной вероятности P = 95 При этом минимальное количество замеров опреде-ляется по формуле [5]

где tβ mdash коэффициент Стьюдента Sx mdash оценка сред-

неквадратического отклонения (Sx = plusmnradicĎ) Δ mdash поло-вина ширины доверительного интервала

Так как значение коэффициента Стьюдента зависит от количества измерений предложенное уравнение

Рисунок 10 PCAN-USB-адаптер

Рисунок 11 Процесс записи сигналов CAN-шины

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ20

необходимо решать методом последовательных при-ближений Результаты расчётов для различных дове-рительных вероятностей и доверительных интерва-лов приведены в табл 1 Обработка статистических данных проведена по следующему алгоритму [6]

1 Определяем оценки математического ожидания m и дисперсии Ď величины коэффициента сопротив-ления качению f по n независимым измерениям Счи-таем что f является случайной величиной распреде-лённой по нормальному закону распределения

2 Выбираем значение коэффициента Стьюден-та для рассматриваемого количества измерений и требуемой доверительной вероятности P (P = 95 n = 10 tβ = 226)

3 Определяем доверительный интервал

После обработки итогов эксперимента был полу-чен следующий результат (табл 2)

Полученные данные были использованы в модели движения электробуса для расчёта энергоэффектив-ного закона управления

ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОБУСА ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ

С целью доказательства обоснованности и до-стоверности результатов получаемых по итогам работы метода определения энергоэффективного закона движения были проведены испытания позво- ляющие верифицировать модель динамики и преоб-разования энергии электробуса

Для достижения поставленной цели необходимо чёткое воспроизведение расчётного закона движе-ния на полигоне и фиксация затраченной на движе-ние энергии

Испытания проводились на участке маршрута длиной 100 м с ограничением времени его прохож-дения равным 20 сек Для возможности воспроиз-ведения закона движения на полигоне необходимо чтобы закон изменения управляющего воздействия был экстремальным то есть параметр управления при движении принимал значения hдв

(движение с максимальным тяговым моментом электромаши-ны) 0 (движение в режиме выбега) ndashhрек (замедление с максимальным тормозным моментом рекуператив-ного тормоза) или ndashhT (замедление с максимальным тормозным моментом рекуперативного тормоза и рабочей тормозной системы) Для получения такой зависимости управляющего воздействия при расчёте энергоэффективного закона управления необходи-мо пренебречь зависимостью КПД электромашины от нагрузки [1] Кроме того при расчёте закона энергоэффективного управления необходимо учесть ограничение на ускорение равное 1 мс2 которое является стандартной настройкой рассматриваемо-го электробуса

Для реализации возможности точно следовать расчётной стратегии управления вдоль маршрута были нанесены метки указывающие водителю- испытателю в какой точке пути необходимо изме-нить режим управления

Расчётная стратегия управления электробусом представлена на рис 12 Расчётная величина затра-ченной на движение энергии составляет 240 кДж Таким образом в случае совпадения расчётной и экспериментально полученной фазовой траек-торий а также величины энергии затраченной на движение модель динамики и преобразования энергии электробуса можно считать верифициро-ванной

Алгоритм проведения замера следующий1 Водитель электробуса подъезжает к стартовой

точке и останавливается2 Активируется запись параметров движения

электробуса через CAN-шину

Таблица 1 Необходимое количество замеров в эксперименте

Sx Δ P = 90 P = 95 P = 99 1 5 7 11

05 13 19 31

04 19 27 46

03 32 46 78

01 273 387 668

Таблица 2 Результаты эксперимента по определению коэффи-

циента сопротивления качению

υ1 кмч υ2 кмч S2 ndash S1 м f1 f1 ndash m311 292 3879 001036 ndash000183

308 29 40 000931 ndash000288

31 292 3998 000936 ndash000283

308 289 3941 001011 ndash000208

312 294 3903 000969 ndash00025

308 286 3241 001484 000265

31 29 2993 001472 000253

307 289 2808 001396 000177

308 287 3004 001536 000317

31 29 3091 001419 0002

m = 001219 radicĎ = 00026

Итого f = 001219 plusmn 000185

Журнал автомобильных инженеров 21

Рисунок 12 Оптимальная

стратегия управления и фазовая

траектория на исследуемом

маршруте

Рисунок 13 Результаты

заездов по верификации модели

движения и преобразования

энергии электробуса

Рисунок 14 Расчётная

оптимальная фазовая траектория

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ22

3 Водитель управляя электробусом согласно оп-тимальной стратегии управления (рис 12) движется по исследуемому маршруту (от 0 до 24 м маршрута mdash движение с максимально возможным ускорением далее с 24 по 89 м mdash выбег без рекуперации энергии затем с 89 по 100 м mdash рекуперативное торможение с максимальным тормозным моментом в конце оста-новка электробуса производится механическими тормозами)

4 Остановка записи параметров движения через CAN-шину

Для набора статистических данных и исключения вли-яния возможного уклона опорной поверхности было проведено по пять заездов в прямом и обратном на-правлениях Количество измерений выбрано по мето-дике аналогичной той что применялась для определе-ния коэффициента сопротивления качению Сводные результаты всех десяти заездов приведены на рис 13

После обработки итогов эксперимента аналогич-но алгоритму который применялся для определения коэффициента сопротивления качению был полу-чен следующий результат (табл 3)

В ходе эксперимента было получено что откло-нение расчётного значения от экспериментального не превышает (246 кДж ndash 240 кДж) 246 кДжmiddot100 = 24 Кроме того расчётная и экспериментально полученная фазовые траектории очень близки (от-клонение не превышает 5 рис 13) Таким образом полученный результат соответствует расчётному и доказывает адекватность модели движения и пре-образования энергии электробуса соответственно её можно считать верифицированной

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОБУСА С ИСКОМЫМ ОПТИМАЛЬНЫМ ЗАКОНОМ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ С РЕЗУЛЬТАТАМИ ВОЖДЕНИЯ ВОДИТЕЛЯ-ИСПЫТАТЕЛЯ

Для оценки величины энергии которую позволит сохранить разработанный метод по сравнению с энергией затрачиваемой на движение электробу-са по маршруту на данный момент были проведены сравнительные испытания полученного закона энер-гоэффективного управления с результатами вожде-ния водителя-испытателя

В ходе испытаний водителю предлагалось преодо-леть мерный участок длиной 100 м за 20 сек затрачи-вая минимальное количество энергии на движение

Так как планируется что система управления электробусом должна полностью воспроизводить расчётный закон движения без участия водителя [1] сравнение целесообразно проводить с расчётной ве-

личиной энергии полученной в результате работы метода с учётом зависимости КПД электромашины от нагрузки Расчётная оптимальная фазовая траек-тория с учётом зависимости КПД электромашины от нагрузки представлена на рис 14

Оптимальным законом управления на расчётном мерном участке является

1 Разгон (промежуток пути от 0 до 31 м рис 14)2 Движение в режиме выбега (промежуток пути

от 31 до 79 м рис 14)3 Торможение рекуперативным тормозом (проме-

жуток пути от 79 до 100 м рис 14 в конце остановка электробуса производится механическими тормозами)

Расчётная величина затраченной энергии составляет 238 кДж

Во время эксперимента проводилась запись па-раметров движения электробуса через CAN-шину Для набора статистики и уменьшения влияния воз-можного уклона от водителя требовалось двигаться единообразно в прямом и обратном направлениях в течение пяти заездов Количество измерений вы-брано по методике аналогичной той что применя-лась для определения коэффициента сопротивления качению На рис 15 приведён результат замеров во-ждения водителя-испытателя

Согласно рис 15 можно сделать вывод о том что водитель не может поддерживать единообраз-ный закон движения даже на простом участке маршрута что увеличивает средние энергозатраты на движение по мерному участку

После проведения эксперимента было осущест-влено сравнение расчётных данных отражающих энергозатраты электробуса при движении согласно полученному энергоэффективному закону управле-ния с вождением водителя-испытателя После обра-

Таблица 3 Обработка итогов эксперимента верификации моде-

ли движения и преобразования энергии электробуса

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10362 2241 28092 3444

10326 2189 26135 1488

10223 2042 25755 1107

10315 2166 26996 2348

10363 2111 26565 1917

10333 2166 23223 ndash1425

10359 2054 19211 ndash5437

10313 2103 22903 ndash1745

10382 2096 24117 ndash531

10319 2106 23481 ndash1167

m = 24648 radicĎ = 2599

Итого J = 24648 plusmn 1857 кДж

Журнал автомобильных инженеров 23

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Бутарович Д О Метод разработки энергоэффективного за-кона управления электробусом при движении по городско-му маршруту Д О Бутарович Б Б Косицын Г О Коти-ев Труды НАМИ mdash 2017 mdash 2 (269) mdash С 16ndash27

2 Беллман Р Динамическое программирование mdash М Изда-тельство иностранной литературы 1960 mdash С 400

3 Ларин В В Теория движения полноприводных колёсных ма-шин учебник mdash М Издательство МГТУ им Н Э Баумана 2010 mdash С 391

4 MathWorks оф сайт [Электронный ресурс] URL httpwwwmathworkscom (дата обращения 01082017)

5 Спирин Н А Методы планирования и обработки результа-тов инженерного испытания конспект лекций (отдельные главы из учебника для вузов) Н А Спирин В В Лав-ров под общ ред Н А Спирина mdash Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 2004 mdash С 257

6 Вентцель Е С Теория вероятностей mdash М Наука 1969 mdash С 576

ботки данных зафиксированных при вождении во-дителя был получен следующий результат (табл 4)Таким образом результаты эксперимента по-казали что в сравнении со средней энергией за-траченной при вождении водителем-испытателем рассчитанная предложенным методом стратегия управления даёт возможность сохранить до (29663 кДж ndash 238 кДж) 29663 кДжmiddot100 = 197 энер-гии при движении по мерному участку за счёт опти-мального выбора моментов переключения режимов движения и обеспечения большей повторяемости реализации закона движения

ВЫВОД

Проведённые эксперименты позволили определить необходимые параметры модели движения электро-буса а также верифицировать её что доказывает

Таблица 4 Обработка итогов эксперимента по сравнению закона

энергоэффективного управления с вождением водителя-испытателя

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10799 1971 34388 4726

10383 2036 28599 ndash1064

10435 2081 25244 ndash4419

10369 2027 28213 ndash1450

10529 2200 24424 ndash5239

10422 2051 29035 ndash628

10939 1961 39447 9784

10532 1986 32497 2834

10473 2194 26505 ndash3158

10484 2095 28275 ndash1388

29663 4578

Итого J = 29663 plusmn 3271 кДж

обоснованность и достоверность результатов полу-чаемых по итогам работы метода определения энер-гоэффективного управления Сопоставление величи-ны энергии затраченной на движение полученной в результате теоретических расчётов с энергией затрачиваемой при управлении электробусом водите-лем-испытателем доказало возможность сохранения до 197 энергии даже на простом участке маршрута Полученный laquoвыигрышraquo энергии достигается путём оптимального выбора момента переключения режи-мов движения а также за счёт отсутствия у водителя возможности поддерживать единообразный закон движения при повторении одного и того же участка маршрута Полученные результаты доказывают не-обходимость оптимизации законов движения авто-мобильного электротранспорта между остановками при движении по городскому маршруту

Рисунок 15 Результаты

заездов водителя-испытателя

Журнал автомобильных инженеров 19

с ООО laquoЛиАЗraquo для рассматриваемого планера типа 5292

Коэффициент сопротивления качению электробу-са был определён согласно следующему алгоритму

1 Контролируем давление воздуха в шинах элек-тробуса (9 бар)

2 Активируем запись параметров движения элек-тробуса через CAN-шину

3 Разгоняем электробус до скорости 30 кмч4 Переводим режим движения электробуса в ре-

жим выбега без рекуперации энергии5 После прохождения электробусом мерного

участка протяжённостью 30ndash40 м останавливаем электробус тормозной системой и завершаем запись параметров движения через CAN-шину

Испытание необходимо проводить на ровной гори-зонтальной опорной поверхности

При движении электробуса в режиме выбега за-медление происходит под действием силы сопро-тивления качению и механических потерь в узлах заднего моста передней оси и карданной передачи а также под действием силы сопротивления возду-ха Так как во время замера скорость электробуса изменяется в небольших пределах будем считать что сила сопротивления воздуха действующая на электробус постоянна Таким образом движение в режиме выбега можно считать равнозамедленным а коэффициент сопротивления качению возможно определять по следующей формуле

где f mdash коэффициент сопротивления качению s2 ndash s1

mdash длина мерного участка υ1 mdash скорость элек-тробуса в начале мерного участка υ2 mdash скорость электробуса в конце мерного участка δ mdash коэффи-циент учёта вращающихся масс

где JД mdash момент инерции двигателя Jki mdash момент инерции i-го колеса m mdash снаряжённая масса элек-тробуса uтр

mdash передаточное число трансмиссии электробуса rk0 mdash радиус качения колеса без сколь-жения

Площадь лобовой проекции электробуса приня-та равной 779 м2 Плотность воздуха mdash 125 кгм3 Моменты инерции двигателя и одного колеса равны 136 и 1082 кгmiddotм2 соответственно Радиус rk0 принят равным 477 мм Снаряжённая масса электробуса была определена экспериментально и составила 13 265 кг Таким образом коэффициент учёта вра-щающихся масс получился равным 1045

Для сбора серии статистических данных и исклю-чения влияния возможного уклона опорной поверх-ности было проведено по пять замеров при движе-нии электробуса в прямом и обратном направлениях (всего десять заездов)

Количество измерений было выбрано исходя из требования к ширине доверительного интерва-ла plusmnradicĎ при доверительной вероятности P = 95 При этом минимальное количество замеров опреде-ляется по формуле [5]

где tβ mdash коэффициент Стьюдента Sx mdash оценка сред-

неквадратического отклонения (Sx = plusmnradicĎ) Δ mdash поло-вина ширины доверительного интервала

Так как значение коэффициента Стьюдента зависит от количества измерений предложенное уравнение

Рисунок 10 PCAN-USB-адаптер

Рисунок 11 Процесс записи сигналов CAN-шины

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ20

необходимо решать методом последовательных при-ближений Результаты расчётов для различных дове-рительных вероятностей и доверительных интерва-лов приведены в табл 1 Обработка статистических данных проведена по следующему алгоритму [6]

1 Определяем оценки математического ожидания m и дисперсии Ď величины коэффициента сопротив-ления качению f по n независимым измерениям Счи-таем что f является случайной величиной распреде-лённой по нормальному закону распределения

2 Выбираем значение коэффициента Стьюден-та для рассматриваемого количества измерений и требуемой доверительной вероятности P (P = 95 n = 10 tβ = 226)

3 Определяем доверительный интервал

После обработки итогов эксперимента был полу-чен следующий результат (табл 2)

Полученные данные были использованы в модели движения электробуса для расчёта энергоэффектив-ного закона управления

ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОБУСА ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ

С целью доказательства обоснованности и до-стоверности результатов получаемых по итогам работы метода определения энергоэффективного закона движения были проведены испытания позво- ляющие верифицировать модель динамики и преоб-разования энергии электробуса

Для достижения поставленной цели необходимо чёткое воспроизведение расчётного закона движе-ния на полигоне и фиксация затраченной на движе-ние энергии

Испытания проводились на участке маршрута длиной 100 м с ограничением времени его прохож-дения равным 20 сек Для возможности воспроиз-ведения закона движения на полигоне необходимо чтобы закон изменения управляющего воздействия был экстремальным то есть параметр управления при движении принимал значения hдв

(движение с максимальным тяговым моментом электромаши-ны) 0 (движение в режиме выбега) ndashhрек (замедление с максимальным тормозным моментом рекуператив-ного тормоза) или ndashhT (замедление с максимальным тормозным моментом рекуперативного тормоза и рабочей тормозной системы) Для получения такой зависимости управляющего воздействия при расчёте энергоэффективного закона управления необходи-мо пренебречь зависимостью КПД электромашины от нагрузки [1] Кроме того при расчёте закона энергоэффективного управления необходимо учесть ограничение на ускорение равное 1 мс2 которое является стандартной настройкой рассматриваемо-го электробуса

Для реализации возможности точно следовать расчётной стратегии управления вдоль маршрута были нанесены метки указывающие водителю- испытателю в какой точке пути необходимо изме-нить режим управления

Расчётная стратегия управления электробусом представлена на рис 12 Расчётная величина затра-ченной на движение энергии составляет 240 кДж Таким образом в случае совпадения расчётной и экспериментально полученной фазовой траек-торий а также величины энергии затраченной на движение модель динамики и преобразования энергии электробуса можно считать верифициро-ванной

Алгоритм проведения замера следующий1 Водитель электробуса подъезжает к стартовой

точке и останавливается2 Активируется запись параметров движения

электробуса через CAN-шину

Таблица 1 Необходимое количество замеров в эксперименте

Sx Δ P = 90 P = 95 P = 99 1 5 7 11

05 13 19 31

04 19 27 46

03 32 46 78

01 273 387 668

Таблица 2 Результаты эксперимента по определению коэффи-

циента сопротивления качению

υ1 кмч υ2 кмч S2 ndash S1 м f1 f1 ndash m311 292 3879 001036 ndash000183

308 29 40 000931 ndash000288

31 292 3998 000936 ndash000283

308 289 3941 001011 ndash000208

312 294 3903 000969 ndash00025

308 286 3241 001484 000265

31 29 2993 001472 000253

307 289 2808 001396 000177

308 287 3004 001536 000317

31 29 3091 001419 0002

m = 001219 radicĎ = 00026

Итого f = 001219 plusmn 000185

Журнал автомобильных инженеров 21

Рисунок 12 Оптимальная

стратегия управления и фазовая

траектория на исследуемом

маршруте

Рисунок 13 Результаты

заездов по верификации модели

движения и преобразования

энергии электробуса

Рисунок 14 Расчётная

оптимальная фазовая траектория

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ22

3 Водитель управляя электробусом согласно оп-тимальной стратегии управления (рис 12) движется по исследуемому маршруту (от 0 до 24 м маршрута mdash движение с максимально возможным ускорением далее с 24 по 89 м mdash выбег без рекуперации энергии затем с 89 по 100 м mdash рекуперативное торможение с максимальным тормозным моментом в конце оста-новка электробуса производится механическими тормозами)

4 Остановка записи параметров движения через CAN-шину

Для набора статистических данных и исключения вли-яния возможного уклона опорной поверхности было проведено по пять заездов в прямом и обратном на-правлениях Количество измерений выбрано по мето-дике аналогичной той что применялась для определе-ния коэффициента сопротивления качению Сводные результаты всех десяти заездов приведены на рис 13

После обработки итогов эксперимента аналогич-но алгоритму который применялся для определения коэффициента сопротивления качению был полу-чен следующий результат (табл 3)

В ходе эксперимента было получено что откло-нение расчётного значения от экспериментального не превышает (246 кДж ndash 240 кДж) 246 кДжmiddot100 = 24 Кроме того расчётная и экспериментально полученная фазовые траектории очень близки (от-клонение не превышает 5 рис 13) Таким образом полученный результат соответствует расчётному и доказывает адекватность модели движения и пре-образования энергии электробуса соответственно её можно считать верифицированной

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОБУСА С ИСКОМЫМ ОПТИМАЛЬНЫМ ЗАКОНОМ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ С РЕЗУЛЬТАТАМИ ВОЖДЕНИЯ ВОДИТЕЛЯ-ИСПЫТАТЕЛЯ

Для оценки величины энергии которую позволит сохранить разработанный метод по сравнению с энергией затрачиваемой на движение электробу-са по маршруту на данный момент были проведены сравнительные испытания полученного закона энер-гоэффективного управления с результатами вожде-ния водителя-испытателя

В ходе испытаний водителю предлагалось преодо-леть мерный участок длиной 100 м за 20 сек затрачи-вая минимальное количество энергии на движение

Так как планируется что система управления электробусом должна полностью воспроизводить расчётный закон движения без участия водителя [1] сравнение целесообразно проводить с расчётной ве-

личиной энергии полученной в результате работы метода с учётом зависимости КПД электромашины от нагрузки Расчётная оптимальная фазовая траек-тория с учётом зависимости КПД электромашины от нагрузки представлена на рис 14

Оптимальным законом управления на расчётном мерном участке является

1 Разгон (промежуток пути от 0 до 31 м рис 14)2 Движение в режиме выбега (промежуток пути

от 31 до 79 м рис 14)3 Торможение рекуперативным тормозом (проме-

жуток пути от 79 до 100 м рис 14 в конце остановка электробуса производится механическими тормозами)

Расчётная величина затраченной энергии составляет 238 кДж

Во время эксперимента проводилась запись па-раметров движения электробуса через CAN-шину Для набора статистики и уменьшения влияния воз-можного уклона от водителя требовалось двигаться единообразно в прямом и обратном направлениях в течение пяти заездов Количество измерений вы-брано по методике аналогичной той что применя-лась для определения коэффициента сопротивления качению На рис 15 приведён результат замеров во-ждения водителя-испытателя

Согласно рис 15 можно сделать вывод о том что водитель не может поддерживать единообраз-ный закон движения даже на простом участке маршрута что увеличивает средние энергозатраты на движение по мерному участку

После проведения эксперимента было осущест-влено сравнение расчётных данных отражающих энергозатраты электробуса при движении согласно полученному энергоэффективному закону управле-ния с вождением водителя-испытателя После обра-

Таблица 3 Обработка итогов эксперимента верификации моде-

ли движения и преобразования энергии электробуса

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10362 2241 28092 3444

10326 2189 26135 1488

10223 2042 25755 1107

10315 2166 26996 2348

10363 2111 26565 1917

10333 2166 23223 ndash1425

10359 2054 19211 ndash5437

10313 2103 22903 ndash1745

10382 2096 24117 ndash531

10319 2106 23481 ndash1167

m = 24648 radicĎ = 2599

Итого J = 24648 plusmn 1857 кДж

Журнал автомобильных инженеров 23

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Бутарович Д О Метод разработки энергоэффективного за-кона управления электробусом при движении по городско-му маршруту Д О Бутарович Б Б Косицын Г О Коти-ев Труды НАМИ mdash 2017 mdash 2 (269) mdash С 16ndash27

2 Беллман Р Динамическое программирование mdash М Изда-тельство иностранной литературы 1960 mdash С 400

3 Ларин В В Теория движения полноприводных колёсных ма-шин учебник mdash М Издательство МГТУ им Н Э Баумана 2010 mdash С 391

4 MathWorks оф сайт [Электронный ресурс] URL httpwwwmathworkscom (дата обращения 01082017)

5 Спирин Н А Методы планирования и обработки результа-тов инженерного испытания конспект лекций (отдельные главы из учебника для вузов) Н А Спирин В В Лав-ров под общ ред Н А Спирина mdash Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 2004 mdash С 257

6 Вентцель Е С Теория вероятностей mdash М Наука 1969 mdash С 576

ботки данных зафиксированных при вождении во-дителя был получен следующий результат (табл 4)Таким образом результаты эксперимента по-казали что в сравнении со средней энергией за-траченной при вождении водителем-испытателем рассчитанная предложенным методом стратегия управления даёт возможность сохранить до (29663 кДж ndash 238 кДж) 29663 кДжmiddot100 = 197 энер-гии при движении по мерному участку за счёт опти-мального выбора моментов переключения режимов движения и обеспечения большей повторяемости реализации закона движения

ВЫВОД

Проведённые эксперименты позволили определить необходимые параметры модели движения электро-буса а также верифицировать её что доказывает

Таблица 4 Обработка итогов эксперимента по сравнению закона

энергоэффективного управления с вождением водителя-испытателя

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10799 1971 34388 4726

10383 2036 28599 ndash1064

10435 2081 25244 ndash4419

10369 2027 28213 ndash1450

10529 2200 24424 ndash5239

10422 2051 29035 ndash628

10939 1961 39447 9784

10532 1986 32497 2834

10473 2194 26505 ndash3158

10484 2095 28275 ndash1388

29663 4578

Итого J = 29663 plusmn 3271 кДж

обоснованность и достоверность результатов полу-чаемых по итогам работы метода определения энер-гоэффективного управления Сопоставление величи-ны энергии затраченной на движение полученной в результате теоретических расчётов с энергией затрачиваемой при управлении электробусом водите-лем-испытателем доказало возможность сохранения до 197 энергии даже на простом участке маршрута Полученный laquoвыигрышraquo энергии достигается путём оптимального выбора момента переключения режи-мов движения а также за счёт отсутствия у водителя возможности поддерживать единообразный закон движения при повторении одного и того же участка маршрута Полученные результаты доказывают не-обходимость оптимизации законов движения авто-мобильного электротранспорта между остановками при движении по городскому маршруту

Рисунок 15 Результаты

заездов водителя-испытателя

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ20

необходимо решать методом последовательных при-ближений Результаты расчётов для различных дове-рительных вероятностей и доверительных интерва-лов приведены в табл 1 Обработка статистических данных проведена по следующему алгоритму [6]

1 Определяем оценки математического ожидания m и дисперсии Ď величины коэффициента сопротив-ления качению f по n независимым измерениям Счи-таем что f является случайной величиной распреде-лённой по нормальному закону распределения

2 Выбираем значение коэффициента Стьюден-та для рассматриваемого количества измерений и требуемой доверительной вероятности P (P = 95 n = 10 tβ = 226)

3 Определяем доверительный интервал

После обработки итогов эксперимента был полу-чен следующий результат (табл 2)

Полученные данные были использованы в модели движения электробуса для расчёта энергоэффектив-ного закона управления

ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОБУСА ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ

С целью доказательства обоснованности и до-стоверности результатов получаемых по итогам работы метода определения энергоэффективного закона движения были проведены испытания позво- ляющие верифицировать модель динамики и преоб-разования энергии электробуса

Для достижения поставленной цели необходимо чёткое воспроизведение расчётного закона движе-ния на полигоне и фиксация затраченной на движе-ние энергии

Испытания проводились на участке маршрута длиной 100 м с ограничением времени его прохож-дения равным 20 сек Для возможности воспроиз-ведения закона движения на полигоне необходимо чтобы закон изменения управляющего воздействия был экстремальным то есть параметр управления при движении принимал значения hдв

(движение с максимальным тяговым моментом электромаши-ны) 0 (движение в режиме выбега) ndashhрек (замедление с максимальным тормозным моментом рекуператив-ного тормоза) или ndashhT (замедление с максимальным тормозным моментом рекуперативного тормоза и рабочей тормозной системы) Для получения такой зависимости управляющего воздействия при расчёте энергоэффективного закона управления необходи-мо пренебречь зависимостью КПД электромашины от нагрузки [1] Кроме того при расчёте закона энергоэффективного управления необходимо учесть ограничение на ускорение равное 1 мс2 которое является стандартной настройкой рассматриваемо-го электробуса

Для реализации возможности точно следовать расчётной стратегии управления вдоль маршрута были нанесены метки указывающие водителю- испытателю в какой точке пути необходимо изме-нить режим управления

Расчётная стратегия управления электробусом представлена на рис 12 Расчётная величина затра-ченной на движение энергии составляет 240 кДж Таким образом в случае совпадения расчётной и экспериментально полученной фазовой траек-торий а также величины энергии затраченной на движение модель динамики и преобразования энергии электробуса можно считать верифициро-ванной

Алгоритм проведения замера следующий1 Водитель электробуса подъезжает к стартовой

точке и останавливается2 Активируется запись параметров движения

электробуса через CAN-шину

Таблица 1 Необходимое количество замеров в эксперименте

Sx Δ P = 90 P = 95 P = 99 1 5 7 11

05 13 19 31

04 19 27 46

03 32 46 78

01 273 387 668

Таблица 2 Результаты эксперимента по определению коэффи-

циента сопротивления качению

υ1 кмч υ2 кмч S2 ndash S1 м f1 f1 ndash m311 292 3879 001036 ndash000183

308 29 40 000931 ndash000288

31 292 3998 000936 ndash000283

308 289 3941 001011 ndash000208

312 294 3903 000969 ndash00025

308 286 3241 001484 000265

31 29 2993 001472 000253

307 289 2808 001396 000177

308 287 3004 001536 000317

31 29 3091 001419 0002

m = 001219 radicĎ = 00026

Итого f = 001219 plusmn 000185

Журнал автомобильных инженеров 21

Рисунок 12 Оптимальная

стратегия управления и фазовая

траектория на исследуемом

маршруте

Рисунок 13 Результаты

заездов по верификации модели

движения и преобразования

энергии электробуса

Рисунок 14 Расчётная

оптимальная фазовая траектория

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ22

3 Водитель управляя электробусом согласно оп-тимальной стратегии управления (рис 12) движется по исследуемому маршруту (от 0 до 24 м маршрута mdash движение с максимально возможным ускорением далее с 24 по 89 м mdash выбег без рекуперации энергии затем с 89 по 100 м mdash рекуперативное торможение с максимальным тормозным моментом в конце оста-новка электробуса производится механическими тормозами)

4 Остановка записи параметров движения через CAN-шину

Для набора статистических данных и исключения вли-яния возможного уклона опорной поверхности было проведено по пять заездов в прямом и обратном на-правлениях Количество измерений выбрано по мето-дике аналогичной той что применялась для определе-ния коэффициента сопротивления качению Сводные результаты всех десяти заездов приведены на рис 13

После обработки итогов эксперимента аналогич-но алгоритму который применялся для определения коэффициента сопротивления качению был полу-чен следующий результат (табл 3)

В ходе эксперимента было получено что откло-нение расчётного значения от экспериментального не превышает (246 кДж ndash 240 кДж) 246 кДжmiddot100 = 24 Кроме того расчётная и экспериментально полученная фазовые траектории очень близки (от-клонение не превышает 5 рис 13) Таким образом полученный результат соответствует расчётному и доказывает адекватность модели движения и пре-образования энергии электробуса соответственно её можно считать верифицированной

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОБУСА С ИСКОМЫМ ОПТИМАЛЬНЫМ ЗАКОНОМ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ С РЕЗУЛЬТАТАМИ ВОЖДЕНИЯ ВОДИТЕЛЯ-ИСПЫТАТЕЛЯ

Для оценки величины энергии которую позволит сохранить разработанный метод по сравнению с энергией затрачиваемой на движение электробу-са по маршруту на данный момент были проведены сравнительные испытания полученного закона энер-гоэффективного управления с результатами вожде-ния водителя-испытателя

В ходе испытаний водителю предлагалось преодо-леть мерный участок длиной 100 м за 20 сек затрачи-вая минимальное количество энергии на движение

Так как планируется что система управления электробусом должна полностью воспроизводить расчётный закон движения без участия водителя [1] сравнение целесообразно проводить с расчётной ве-

личиной энергии полученной в результате работы метода с учётом зависимости КПД электромашины от нагрузки Расчётная оптимальная фазовая траек-тория с учётом зависимости КПД электромашины от нагрузки представлена на рис 14

Оптимальным законом управления на расчётном мерном участке является

1 Разгон (промежуток пути от 0 до 31 м рис 14)2 Движение в режиме выбега (промежуток пути

от 31 до 79 м рис 14)3 Торможение рекуперативным тормозом (проме-

жуток пути от 79 до 100 м рис 14 в конце остановка электробуса производится механическими тормозами)

Расчётная величина затраченной энергии составляет 238 кДж

Во время эксперимента проводилась запись па-раметров движения электробуса через CAN-шину Для набора статистики и уменьшения влияния воз-можного уклона от водителя требовалось двигаться единообразно в прямом и обратном направлениях в течение пяти заездов Количество измерений вы-брано по методике аналогичной той что применя-лась для определения коэффициента сопротивления качению На рис 15 приведён результат замеров во-ждения водителя-испытателя

Согласно рис 15 можно сделать вывод о том что водитель не может поддерживать единообраз-ный закон движения даже на простом участке маршрута что увеличивает средние энергозатраты на движение по мерному участку

После проведения эксперимента было осущест-влено сравнение расчётных данных отражающих энергозатраты электробуса при движении согласно полученному энергоэффективному закону управле-ния с вождением водителя-испытателя После обра-

Таблица 3 Обработка итогов эксперимента верификации моде-

ли движения и преобразования энергии электробуса

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10362 2241 28092 3444

10326 2189 26135 1488

10223 2042 25755 1107

10315 2166 26996 2348

10363 2111 26565 1917

10333 2166 23223 ndash1425

10359 2054 19211 ndash5437

10313 2103 22903 ndash1745

10382 2096 24117 ndash531

10319 2106 23481 ndash1167

m = 24648 radicĎ = 2599

Итого J = 24648 plusmn 1857 кДж

Журнал автомобильных инженеров 23

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Бутарович Д О Метод разработки энергоэффективного за-кона управления электробусом при движении по городско-му маршруту Д О Бутарович Б Б Косицын Г О Коти-ев Труды НАМИ mdash 2017 mdash 2 (269) mdash С 16ndash27

2 Беллман Р Динамическое программирование mdash М Изда-тельство иностранной литературы 1960 mdash С 400

3 Ларин В В Теория движения полноприводных колёсных ма-шин учебник mdash М Издательство МГТУ им Н Э Баумана 2010 mdash С 391

4 MathWorks оф сайт [Электронный ресурс] URL httpwwwmathworkscom (дата обращения 01082017)

5 Спирин Н А Методы планирования и обработки результа-тов инженерного испытания конспект лекций (отдельные главы из учебника для вузов) Н А Спирин В В Лав-ров под общ ред Н А Спирина mdash Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 2004 mdash С 257

6 Вентцель Е С Теория вероятностей mdash М Наука 1969 mdash С 576

ботки данных зафиксированных при вождении во-дителя был получен следующий результат (табл 4)Таким образом результаты эксперимента по-казали что в сравнении со средней энергией за-траченной при вождении водителем-испытателем рассчитанная предложенным методом стратегия управления даёт возможность сохранить до (29663 кДж ndash 238 кДж) 29663 кДжmiddot100 = 197 энер-гии при движении по мерному участку за счёт опти-мального выбора моментов переключения режимов движения и обеспечения большей повторяемости реализации закона движения

ВЫВОД

Проведённые эксперименты позволили определить необходимые параметры модели движения электро-буса а также верифицировать её что доказывает

Таблица 4 Обработка итогов эксперимента по сравнению закона

энергоэффективного управления с вождением водителя-испытателя

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10799 1971 34388 4726

10383 2036 28599 ndash1064

10435 2081 25244 ndash4419

10369 2027 28213 ndash1450

10529 2200 24424 ndash5239

10422 2051 29035 ndash628

10939 1961 39447 9784

10532 1986 32497 2834

10473 2194 26505 ndash3158

10484 2095 28275 ndash1388

29663 4578

Итого J = 29663 plusmn 3271 кДж

обоснованность и достоверность результатов полу-чаемых по итогам работы метода определения энер-гоэффективного управления Сопоставление величи-ны энергии затраченной на движение полученной в результате теоретических расчётов с энергией затрачиваемой при управлении электробусом водите-лем-испытателем доказало возможность сохранения до 197 энергии даже на простом участке маршрута Полученный laquoвыигрышraquo энергии достигается путём оптимального выбора момента переключения режи-мов движения а также за счёт отсутствия у водителя возможности поддерживать единообразный закон движения при повторении одного и того же участка маршрута Полученные результаты доказывают не-обходимость оптимизации законов движения авто-мобильного электротранспорта между остановками при движении по городскому маршруту

Рисунок 15 Результаты

заездов водителя-испытателя

Журнал автомобильных инженеров 21

Рисунок 12 Оптимальная

стратегия управления и фазовая

траектория на исследуемом

маршруте

Рисунок 13 Результаты

заездов по верификации модели

движения и преобразования

энергии электробуса

Рисунок 14 Расчётная

оптимальная фазовая траектория

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ22

3 Водитель управляя электробусом согласно оп-тимальной стратегии управления (рис 12) движется по исследуемому маршруту (от 0 до 24 м маршрута mdash движение с максимально возможным ускорением далее с 24 по 89 м mdash выбег без рекуперации энергии затем с 89 по 100 м mdash рекуперативное торможение с максимальным тормозным моментом в конце оста-новка электробуса производится механическими тормозами)

4 Остановка записи параметров движения через CAN-шину

Для набора статистических данных и исключения вли-яния возможного уклона опорной поверхности было проведено по пять заездов в прямом и обратном на-правлениях Количество измерений выбрано по мето-дике аналогичной той что применялась для определе-ния коэффициента сопротивления качению Сводные результаты всех десяти заездов приведены на рис 13

После обработки итогов эксперимента аналогич-но алгоритму который применялся для определения коэффициента сопротивления качению был полу-чен следующий результат (табл 3)

В ходе эксперимента было получено что откло-нение расчётного значения от экспериментального не превышает (246 кДж ndash 240 кДж) 246 кДжmiddot100 = 24 Кроме того расчётная и экспериментально полученная фазовые траектории очень близки (от-клонение не превышает 5 рис 13) Таким образом полученный результат соответствует расчётному и доказывает адекватность модели движения и пре-образования энергии электробуса соответственно её можно считать верифицированной

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОБУСА С ИСКОМЫМ ОПТИМАЛЬНЫМ ЗАКОНОМ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ С РЕЗУЛЬТАТАМИ ВОЖДЕНИЯ ВОДИТЕЛЯ-ИСПЫТАТЕЛЯ

Для оценки величины энергии которую позволит сохранить разработанный метод по сравнению с энергией затрачиваемой на движение электробу-са по маршруту на данный момент были проведены сравнительные испытания полученного закона энер-гоэффективного управления с результатами вожде-ния водителя-испытателя

В ходе испытаний водителю предлагалось преодо-леть мерный участок длиной 100 м за 20 сек затрачи-вая минимальное количество энергии на движение

Так как планируется что система управления электробусом должна полностью воспроизводить расчётный закон движения без участия водителя [1] сравнение целесообразно проводить с расчётной ве-

личиной энергии полученной в результате работы метода с учётом зависимости КПД электромашины от нагрузки Расчётная оптимальная фазовая траек-тория с учётом зависимости КПД электромашины от нагрузки представлена на рис 14

Оптимальным законом управления на расчётном мерном участке является

1 Разгон (промежуток пути от 0 до 31 м рис 14)2 Движение в режиме выбега (промежуток пути

от 31 до 79 м рис 14)3 Торможение рекуперативным тормозом (проме-

жуток пути от 79 до 100 м рис 14 в конце остановка электробуса производится механическими тормозами)

Расчётная величина затраченной энергии составляет 238 кДж

Во время эксперимента проводилась запись па-раметров движения электробуса через CAN-шину Для набора статистики и уменьшения влияния воз-можного уклона от водителя требовалось двигаться единообразно в прямом и обратном направлениях в течение пяти заездов Количество измерений вы-брано по методике аналогичной той что применя-лась для определения коэффициента сопротивления качению На рис 15 приведён результат замеров во-ждения водителя-испытателя

Согласно рис 15 можно сделать вывод о том что водитель не может поддерживать единообраз-ный закон движения даже на простом участке маршрута что увеличивает средние энергозатраты на движение по мерному участку

После проведения эксперимента было осущест-влено сравнение расчётных данных отражающих энергозатраты электробуса при движении согласно полученному энергоэффективному закону управле-ния с вождением водителя-испытателя После обра-

Таблица 3 Обработка итогов эксперимента верификации моде-

ли движения и преобразования энергии электробуса

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10362 2241 28092 3444

10326 2189 26135 1488

10223 2042 25755 1107

10315 2166 26996 2348

10363 2111 26565 1917

10333 2166 23223 ndash1425

10359 2054 19211 ndash5437

10313 2103 22903 ndash1745

10382 2096 24117 ndash531

10319 2106 23481 ndash1167

m = 24648 radicĎ = 2599

Итого J = 24648 plusmn 1857 кДж

Журнал автомобильных инженеров 23

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Бутарович Д О Метод разработки энергоэффективного за-кона управления электробусом при движении по городско-му маршруту Д О Бутарович Б Б Косицын Г О Коти-ев Труды НАМИ mdash 2017 mdash 2 (269) mdash С 16ndash27

2 Беллман Р Динамическое программирование mdash М Изда-тельство иностранной литературы 1960 mdash С 400

3 Ларин В В Теория движения полноприводных колёсных ма-шин учебник mdash М Издательство МГТУ им Н Э Баумана 2010 mdash С 391

4 MathWorks оф сайт [Электронный ресурс] URL httpwwwmathworkscom (дата обращения 01082017)

5 Спирин Н А Методы планирования и обработки результа-тов инженерного испытания конспект лекций (отдельные главы из учебника для вузов) Н А Спирин В В Лав-ров под общ ред Н А Спирина mdash Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 2004 mdash С 257

6 Вентцель Е С Теория вероятностей mdash М Наука 1969 mdash С 576

ботки данных зафиксированных при вождении во-дителя был получен следующий результат (табл 4)Таким образом результаты эксперимента по-казали что в сравнении со средней энергией за-траченной при вождении водителем-испытателем рассчитанная предложенным методом стратегия управления даёт возможность сохранить до (29663 кДж ndash 238 кДж) 29663 кДжmiddot100 = 197 энер-гии при движении по мерному участку за счёт опти-мального выбора моментов переключения режимов движения и обеспечения большей повторяемости реализации закона движения

ВЫВОД

Проведённые эксперименты позволили определить необходимые параметры модели движения электро-буса а также верифицировать её что доказывает

Таблица 4 Обработка итогов эксперимента по сравнению закона

энергоэффективного управления с вождением водителя-испытателя

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10799 1971 34388 4726

10383 2036 28599 ndash1064

10435 2081 25244 ndash4419

10369 2027 28213 ndash1450

10529 2200 24424 ndash5239

10422 2051 29035 ndash628

10939 1961 39447 9784

10532 1986 32497 2834

10473 2194 26505 ndash3158

10484 2095 28275 ndash1388

29663 4578

Итого J = 29663 plusmn 3271 кДж

обоснованность и достоверность результатов полу-чаемых по итогам работы метода определения энер-гоэффективного управления Сопоставление величи-ны энергии затраченной на движение полученной в результате теоретических расчётов с энергией затрачиваемой при управлении электробусом водите-лем-испытателем доказало возможность сохранения до 197 энергии даже на простом участке маршрута Полученный laquoвыигрышraquo энергии достигается путём оптимального выбора момента переключения режи-мов движения а также за счёт отсутствия у водителя возможности поддерживать единообразный закон движения при повторении одного и того же участка маршрута Полученные результаты доказывают не-обходимость оптимизации законов движения авто-мобильного электротранспорта между остановками при движении по городскому маршруту

Рисунок 15 Результаты

заездов водителя-испытателя

5 (106) 2017

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИИ22

3 Водитель управляя электробусом согласно оп-тимальной стратегии управления (рис 12) движется по исследуемому маршруту (от 0 до 24 м маршрута mdash движение с максимально возможным ускорением далее с 24 по 89 м mdash выбег без рекуперации энергии затем с 89 по 100 м mdash рекуперативное торможение с максимальным тормозным моментом в конце оста-новка электробуса производится механическими тормозами)

4 Остановка записи параметров движения через CAN-шину

Для набора статистических данных и исключения вли-яния возможного уклона опорной поверхности было проведено по пять заездов в прямом и обратном на-правлениях Количество измерений выбрано по мето-дике аналогичной той что применялась для определе-ния коэффициента сопротивления качению Сводные результаты всех десяти заездов приведены на рис 13

После обработки итогов эксперимента аналогич-но алгоритму который применялся для определения коэффициента сопротивления качению был полу-чен следующий результат (табл 3)

В ходе эксперимента было получено что откло-нение расчётного значения от экспериментального не превышает (246 кДж ndash 240 кДж) 246 кДжmiddot100 = 24 Кроме того расчётная и экспериментально полученная фазовые траектории очень близки (от-клонение не превышает 5 рис 13) Таким образом полученный результат соответствует расчётному и доказывает адекватность модели движения и пре-образования энергии электробуса соответственно её можно считать верифицированной

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОБУСА С ИСКОМЫМ ОПТИМАЛЬНЫМ ЗАКОНОМ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ С РЕЗУЛЬТАТАМИ ВОЖДЕНИЯ ВОДИТЕЛЯ-ИСПЫТАТЕЛЯ

Для оценки величины энергии которую позволит сохранить разработанный метод по сравнению с энергией затрачиваемой на движение электробу-са по маршруту на данный момент были проведены сравнительные испытания полученного закона энер-гоэффективного управления с результатами вожде-ния водителя-испытателя

В ходе испытаний водителю предлагалось преодо-леть мерный участок длиной 100 м за 20 сек затрачи-вая минимальное количество энергии на движение

Так как планируется что система управления электробусом должна полностью воспроизводить расчётный закон движения без участия водителя [1] сравнение целесообразно проводить с расчётной ве-

личиной энергии полученной в результате работы метода с учётом зависимости КПД электромашины от нагрузки Расчётная оптимальная фазовая траек-тория с учётом зависимости КПД электромашины от нагрузки представлена на рис 14

Оптимальным законом управления на расчётном мерном участке является

1 Разгон (промежуток пути от 0 до 31 м рис 14)2 Движение в режиме выбега (промежуток пути

от 31 до 79 м рис 14)3 Торможение рекуперативным тормозом (проме-

жуток пути от 79 до 100 м рис 14 в конце остановка электробуса производится механическими тормозами)

Расчётная величина затраченной энергии составляет 238 кДж

Во время эксперимента проводилась запись па-раметров движения электробуса через CAN-шину Для набора статистики и уменьшения влияния воз-можного уклона от водителя требовалось двигаться единообразно в прямом и обратном направлениях в течение пяти заездов Количество измерений вы-брано по методике аналогичной той что применя-лась для определения коэффициента сопротивления качению На рис 15 приведён результат замеров во-ждения водителя-испытателя

Согласно рис 15 можно сделать вывод о том что водитель не может поддерживать единообраз-ный закон движения даже на простом участке маршрута что увеличивает средние энергозатраты на движение по мерному участку

После проведения эксперимента было осущест-влено сравнение расчётных данных отражающих энергозатраты электробуса при движении согласно полученному энергоэффективному закону управле-ния с вождением водителя-испытателя После обра-

Таблица 3 Обработка итогов эксперимента верификации моде-

ли движения и преобразования энергии электробуса

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10362 2241 28092 3444

10326 2189 26135 1488

10223 2042 25755 1107

10315 2166 26996 2348

10363 2111 26565 1917

10333 2166 23223 ndash1425

10359 2054 19211 ndash5437

10313 2103 22903 ndash1745

10382 2096 24117 ndash531

10319 2106 23481 ndash1167

m = 24648 radicĎ = 2599

Итого J = 24648 plusmn 1857 кДж

Журнал автомобильных инженеров 23

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Бутарович Д О Метод разработки энергоэффективного за-кона управления электробусом при движении по городско-му маршруту Д О Бутарович Б Б Косицын Г О Коти-ев Труды НАМИ mdash 2017 mdash 2 (269) mdash С 16ndash27

2 Беллман Р Динамическое программирование mdash М Изда-тельство иностранной литературы 1960 mdash С 400

3 Ларин В В Теория движения полноприводных колёсных ма-шин учебник mdash М Издательство МГТУ им Н Э Баумана 2010 mdash С 391

4 MathWorks оф сайт [Электронный ресурс] URL httpwwwmathworkscom (дата обращения 01082017)

5 Спирин Н А Методы планирования и обработки результа-тов инженерного испытания конспект лекций (отдельные главы из учебника для вузов) Н А Спирин В В Лав-ров под общ ред Н А Спирина mdash Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 2004 mdash С 257

6 Вентцель Е С Теория вероятностей mdash М Наука 1969 mdash С 576

ботки данных зафиксированных при вождении во-дителя был получен следующий результат (табл 4)Таким образом результаты эксперимента по-казали что в сравнении со средней энергией за-траченной при вождении водителем-испытателем рассчитанная предложенным методом стратегия управления даёт возможность сохранить до (29663 кДж ndash 238 кДж) 29663 кДжmiddot100 = 197 энер-гии при движении по мерному участку за счёт опти-мального выбора моментов переключения режимов движения и обеспечения большей повторяемости реализации закона движения

ВЫВОД

Проведённые эксперименты позволили определить необходимые параметры модели движения электро-буса а также верифицировать её что доказывает

Таблица 4 Обработка итогов эксперимента по сравнению закона

энергоэффективного управления с вождением водителя-испытателя

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10799 1971 34388 4726

10383 2036 28599 ndash1064

10435 2081 25244 ndash4419

10369 2027 28213 ndash1450

10529 2200 24424 ndash5239

10422 2051 29035 ndash628

10939 1961 39447 9784

10532 1986 32497 2834

10473 2194 26505 ndash3158

10484 2095 28275 ndash1388

29663 4578

Итого J = 29663 plusmn 3271 кДж

обоснованность и достоверность результатов полу-чаемых по итогам работы метода определения энер-гоэффективного управления Сопоставление величи-ны энергии затраченной на движение полученной в результате теоретических расчётов с энергией затрачиваемой при управлении электробусом водите-лем-испытателем доказало возможность сохранения до 197 энергии даже на простом участке маршрута Полученный laquoвыигрышraquo энергии достигается путём оптимального выбора момента переключения режи-мов движения а также за счёт отсутствия у водителя возможности поддерживать единообразный закон движения при повторении одного и того же участка маршрута Полученные результаты доказывают не-обходимость оптимизации законов движения авто-мобильного электротранспорта между остановками при движении по городскому маршруту

Рисунок 15 Результаты

заездов водителя-испытателя

Журнал автомобильных инженеров 23

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Бутарович Д О Метод разработки энергоэффективного за-кона управления электробусом при движении по городско-му маршруту Д О Бутарович Б Б Косицын Г О Коти-ев Труды НАМИ mdash 2017 mdash 2 (269) mdash С 16ndash27

2 Беллман Р Динамическое программирование mdash М Изда-тельство иностранной литературы 1960 mdash С 400

3 Ларин В В Теория движения полноприводных колёсных ма-шин учебник mdash М Издательство МГТУ им Н Э Баумана 2010 mdash С 391

4 MathWorks оф сайт [Электронный ресурс] URL httpwwwmathworkscom (дата обращения 01082017)

5 Спирин Н А Методы планирования и обработки результа-тов инженерного испытания конспект лекций (отдельные главы из учебника для вузов) Н А Спирин В В Лав-ров под общ ред Н А Спирина mdash Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 2004 mdash С 257

6 Вентцель Е С Теория вероятностей mdash М Наука 1969 mdash С 576

ботки данных зафиксированных при вождении во-дителя был получен следующий результат (табл 4)Таким образом результаты эксперимента по-казали что в сравнении со средней энергией за-траченной при вождении водителем-испытателем рассчитанная предложенным методом стратегия управления даёт возможность сохранить до (29663 кДж ndash 238 кДж) 29663 кДжmiddot100 = 197 энер-гии при движении по мерному участку за счёт опти-мального выбора моментов переключения режимов движения и обеспечения большей повторяемости реализации закона движения

ВЫВОД

Проведённые эксперименты позволили определить необходимые параметры модели движения электро-буса а также верифицировать её что доказывает

Таблица 4 Обработка итогов эксперимента по сравнению закона

энергоэффективного управления с вождением водителя-испытателя

Пройденный

путь s м

Затраченное

время t сек

Затраченная

энергия J кДжJi ndash m кДж

10799 1971 34388 4726

10383 2036 28599 ndash1064

10435 2081 25244 ndash4419

10369 2027 28213 ndash1450

10529 2200 24424 ndash5239

10422 2051 29035 ndash628

10939 1961 39447 9784

10532 1986 32497 2834

10473 2194 26505 ndash3158

10484 2095 28275 ndash1388

29663 4578

Итого J = 29663 plusmn 3271 кДж

обоснованность и достоверность результатов полу-чаемых по итогам работы метода определения энер-гоэффективного управления Сопоставление величи-ны энергии затраченной на движение полученной в результате теоретических расчётов с энергией затрачиваемой при управлении электробусом водите-лем-испытателем доказало возможность сохранения до 197 энергии даже на простом участке маршрута Полученный laquoвыигрышraquo энергии достигается путём оптимального выбора момента переключения режи-мов движения а также за счёт отсутствия у водителя возможности поддерживать единообразный закон движения при повторении одного и того же участка маршрута Полученные результаты доказывают не-обходимость оптимизации законов движения авто-мобильного электротранспорта между остановками при движении по городскому маршруту

Рисунок 15 Результаты

заездов водителя-испытателя