Повышение эффективности систем тягового электропривода автономных транспортных средств

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ 
СЕРИИ «МОНОГРАФИИ НГТУ» 
 
 
д-р техн. наук, проф. (председатель)  Н.В. Пустовой 
д-р техн. наук, проф. (зам. председателя)  А.Г. Вострецов 
д-р техн. наук, проф. (отв. секретарь)  В.Н. Васюков 
 
д-р техн. наук, проф. А.А. Батаев 
д-р техн. наук, проф. А.А. Воевода 
д-р техн. наук, проф. В.В. Губарев 
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов 
д-р физ.-мат. наук, проф. А.К. Дмитриев 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Дубровский 
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев 
д-р филос. наук, проф. В.В. Крюков 
д-р техн. наук, проф. Г.И. Расторгуев 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев 
д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Соловейчик 
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор 
д-р юрид. наук, доц. В.Л. Толстых 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов 
д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина 
д-р техн. наук, проф. В.А. Хрусталев 
д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко 
 
 
 
 

ПОВЫШЕНИЕ 
ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ  
ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 
АВТОНОМНЫХ 
ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

НОВОСИБИРСК

2 0 1 4

УДК 621.333-83 
         А 695 
 

Рецензенты: 

засл. деятель РФ, д-р техн. наук, 
профессор НГАВТ В.П. Горелов; 
директор ООО «Научно-производственная 
фирма Ирбис» Л.В. Музалевский 
 
 
Аносов В.Н. 
А 695        Повышение эффективности систем тягового электропривода 
автономных транспортных средств : монография / В.Н. Аносов, 
В.М. Кавешников. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2014. – 220 с. 
(Серия «Монографии НГТУ»). 

ISBN 978-5-7782-2574-9 

Рассматриваются различные способы повышения эффективности 
функционирования аккумуляторных транспортных средств, в частности использование в составе энергоустановки силовых фильтров и 
буферных источников питания. Дан новый подход к математическому 
описанию источников питания, заданных зарядно-разрядными характеристиками. Предложен обобщенный критерий эффективности для 
синтеза и сравнительной оценки систем тягового электропривода. 
Книга предназначена научным сотрудникам и инженерам, аспирантам и магистрантам, занимающимся разработкой и исследованием 
систем автоматического управления автономных транспортных 
средств. 
 
 
УДК 621.333-83 
 
 
ISBN 978-5-7782-2574-9  
 
 
 
 
© Аносов В.Н., Кавешников В.М., 2014 
© Новосибирский государственный 
технический университет, 2014                

IMPROVING THE EFFICIENCY 
OF TRACTION ELECTRIC 
DRIVE SYSTEMS 
FOR AUTONOMOUS VEHICLES 

 Monograph 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

NOVOSIBIRSK
2 0 1 4

UDC 621.333-83 
         A 695 

Reviewers: 

Prof. V.P. Gorelov, D.Sc. (Eng.), RF Honored Scientist, NSWTA; 
L.V. Musalevsky, scientific production company Irbis, Ltd 
 
 
 
Anosov V.N. 
A 695      Improving the efficiency of traction electric drive systems for autonomous vehicles : monograph / V.N. Anosov, V.M. Kaveshnikov. – 
Novosibirsk : NSTU Publisher, 2014. – 220 p. («NSTU Monographs» series). 

ISBN 978-5-7782-2574-9 

Various methods of increasing the efficiency of battery electric vehicles by using power filters and bypass power sources in the power plant 
configuration are considered in the monograph. A new approach to the 
mathematical description of power sources with the preset chargedischarge characteristics is described. A generalized criterion of efficiency 
for the synthesis and comparative estimation of traction electric drive systems is proposed. 
The book is designed for researchers and engineers as well as for graduate and postgraduate students involved in designing and studying systems 
of automatic control of autonomous vehicles. 
 
 
 
 
 
UDC 621.333-83 
 
 
 
ISBN 978-5-7782-2574-9  
 
 
 
 
 
© Anosov V.N., Kaveshnikov V.M., 2014 
© Novosibirsk State                            
Technical  University, 2014                   

ВВЕДЕНИЕ 

 
Многие промышленные предприятия имеют достаточно большой 
парк машин напольного безрельсового электротранспорта (электропогрузчики, электрокары и др.), источниками питания которых являются 
аккумуляторные батареи (АБ). Это связано с тем, что с каждым годом 
возрастает объем перевозок малогабаритного груза на железнодорожных вокзалах, в грузовых портах, складских помещениях и т. д. Существенная часть указанных транспортных средств (ТС) имеет устаревшие морально и физически системы управления тяговыми электроприводами, которые нуждаются в модернизации. С подобной проблемой 
сталкиваются и при эксплуатации самолетных трапов в аэропортах. 
Такие ТС имеют существенный недостаток – малое время пробега 
между двумя соседними зарядами АБ. Если учесть, что АБ заряжается 
6…8 часов, а разряжается за 2…3 часа, то можно сделать вывод о том, 
что ТС бо´льшую часть рабочего цикла простаивает на зарядной станции. Поэтому для выполнения определенного объема перевозок предприятие должно иметь значительный парк автономных ТС. 
В связи с этим перед специалистами остро ставится вопрос об 
энергосбережении в сфере деятельности электрического транспорта. 
Это связано с тем, что цены на энергоносители будут расти все обозримое время, как показывают прогнозы, с темпом 10…15 % в год, что 
вызовет рост энергетической составляющей затрат в энергоемких отраслях промышленности и на электрическом транспорте в пределах 
6…8 % ежегодно.  
Установка полупроводниковых систем управления тяговым приводом увеличивает время межзарядного пробега ТС, но приводит к 
появлению дополнительных потерь, связанных с процессами коммутации. Независимо от вида системы управления в приводе возникают 
потери, вызванные нагрузкой и ее изменением. Для снижения указанных потерь и дальнейшего увеличения величины пробега требуется включать в состав энергоустановки дополнительные устройства, 

ВВЕДЕНИЕ 

8 

так как возможности совершенствования существующих АБ в настоящее время практически исчерпаны. 
Таким образом, создание экономичного транспортного средства 
может вестись по двум направлениям: 
1) поиск альтернативных источников питания; 
2) разработка комбинированных энергоустановок (КЭУ), включающих в себя тяговые электродвигатели и накопители энергии. 
При решении задачи рационального управления автономным ТС 
необходимо учитывать случайный характер процессов, протекающих в 
системе тягового привода. Анализ и синтез таких САУ должны проводиться статистическими методами, позволяющими учесть влияние 
случайных факторов на ход процессов и их конечный результат. Это 
приведет к более точному расчету параметров элементов энергоустановки и в конечном итоге к полному использованию ТС по энергетическим показателям. 
Комбинированная энергетическая установка автономного ТС представляет собой сложную техническую систему, состоящую из ряда 
подсистем, взаимно связанных друг с другом. Попытка решить вопросы повышения эффективности работы тягового электропривода путем 
оптимизации каждой подсистемы в отдельности по независимым критериям, пренебрегая их взаимными связями, приведет к тому, что такая 
оптимизация не даст наилучшего результата как для отдельной подсистемы, так и всей системы в целом. Очень важно учитывать и анализировать взаимные связи происходящих в этих устройствах электрических и электромагнитных процессов и при этом использовать некоторый обобщенный критерий эффективности. 
Тяговый электропривод с КЭУ описывается системами нелинейных 
дифференциальных уравнений достаточно высокого порядка, поэтому 
исследование таких систем часто осуществляется методом структурного 
моделирования с применением различного рода прикладных программ. 
Актуальным является создание библиотеки макроблоков различных 
элементов КЭУ, что даст возможность проводить исследование и сравнительную оценку систем тягового электропривода.  
Вопросам разработки и совершенствования систем управления тяговыми электроприводами автономных транспортных средств, направленных на повышение эффективности их функционирования, посвящено немало работ. Значительный вклад в решение проблемы энерго

ВВЕДЕНИЕ 

 
9 

сбережения внесли такие авторы, как Б.И. Абрамов, Д.А. Бут, А.М. Иванов, Н.Ф. Ильинский, О.Р. Калабухов, Е.И. Сурин, Б.И. Петленко, 
Е.Г. Подобедов, В.П. Феоктистов, О.А. Яковлева и др. [3, 33, 46, 48, 55, 
88, 91, 107, 108, 109, 114, 123]. Следует также отметить вклад в проблему 
энергосбережения в области электрического транспорта Г.Н. Ворфоломеева, В.И. Некрасова, В.И. Пантелеева, В.А. Пречисского, Н.И. Щурова и др. 
Вопросы совершенствования параметров существующих химических источников тока (ХИТ), описание конструкции и сравнительной 
оценки перспективных источников питания освещаются в работах [40, 
41, 78, 82, 120, 124, 128, 134 и др.]. 
Исследованию комбинированных энергоустановок автономных 
транспортных средств, расчету их параметров, перспективам применения КЭУ на автономном электротранспорте посвящены работы [32, 37, 
43, 46, 71, 76, 81, 90, 108, 122, 123]. 
Применение тяговых электроприводов переменного тока, особенности их управления рассматриваются в [4, 7, 57, 58, 84, 85 и др.]. 
Задачи синтеза систем тягового электропривода, расчета оптимального соотношения параметров элементов энергоустановки, обеспечивающих эффективное функционирование автономного транспортного 
средства, решались следующими авторами: Д.А. Бутом, Б.А. Ивоботенко, Н.Ф. Ильинским, В.П. Кочетковым, А.М. Лихомановым, В.Н. Логачевым, Е.И. Суриным, Б.И. Петленко, О.А. Яковлевой и др. [33, 47, 51, 
63, 72, 88, 100, 101, 107, 109, 123]. 
Проблемы моделирования, позволяющие проводить анализ и синтез исследуемых систем, достаточно подробно изложены в [26, 30, 50, 
72, 86, 89, 106, 107, 108 и др.]. 
В Новосибирском государственном техническом университете (ранее – Новосибирский электротехнический институт) разработкой и 
исследованием систем автоматического управления с источниками питания ограниченной мощности занималась группа сотрудников под 
руководством В.Н. Ельсукова: В.Н. Аносов, Н.В. Вагнер, В.М. Кавешников, Ю.Н. Кошкин, А.И. Купрюхин, С.И. Мордвинов, М.М. Раздобреев, С.В. Ренин, С.Л. Стернина и др. [12, 34, 42, 52, 64, 66, 79, 95, 96, 
105]. Применительно к автономным транспортным средствам работа 
продолжена учениками В.Н. Ельсукова – В.Н. Аносовым, В.М. Кавешниковым, С.И. Мордвиновым. Результаты их исследований использо

ВВЕДЕНИЕ 

10 

ваны при разработке электротрансмиссий электромобилей, электробусов и электропогрузчиков. 
Известные работы, выполненные в разное время в некоторых научных школах, в основном содержат решение отдельных невзаимосвязанных вопросов, относящихся, как правило, к тяговым приводам 
электромобилей. Отсутствие комплексных исследований повышения 
эффективности функционирования систем тягового электропривода, 
рассматриваемого в работе класса транспортных средств с точки зрения единого критерия с учетом как неизменных, так и случайных факторов, не позволяет адекватно оценить происходящие в них процессы, 
раскрыть неиспользованные резервы и повысить их экономичность. 
Предлагаемый в настоящей монографии комплекс задач сформулирован в контексте создания компьютерных моделей отдельных блоков 
комбинированной энергоустановки с целью их использования при моделировании систем тягового электропривода различного вида и сложности. 
Проводимые разработки подкрепляются сравнительной оценкой 
результатов моделирования с экспериментальными характеристиками. 
В первой главе рассматривается алгоритм, используемый для анализа, синтеза и сравнительной оценки систем тягового электропривода, в соответствии с предложенным критерием эффективности. Блоксхема алгоритма расчета состоит из набора элементов с определенными внешними воздействиями. Это делает их взаимозаменяемыми и 
позволяет исследовать разные структуры систем управления. 
Обосновано, что для рассматриваемого в работе класса транспортных средств наиболее приемлемым критерием эффективности является 
время межзарядного пробега. 
Дан анализ принципов построения комбинированной энергоустановки автономных ТС и возможных способов увеличения времени 
пробега без подзарядки АБ. 
Вторая глава посвящена разработке блока внешних воздействий 
для задания управляющих и возмущающих воздействий при исследовании системы тягового электропривода методом структурного моделирования. 
При создании блока используется статистический материал, полученный в результате эксперимента на действующем транспортном 
средстве в реальных условиях его работы. При обработке указанного