Энергетическая эффективность систем электрооборудования автономных объектов

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ 
ЭФФЕКТИВНОСТЬ 
СИСТЕМ 
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ 
АВТОНОМНЫХ  
ОБЪЕКТОВ

С.М. ЗУЕВ 
Р.А. МАЛЕЕВ 
А.Е. ЧЕРНОВ

Москва 
ИНФРА-М 
2022

МОНОГРАФИЯ

УДК 620.9(075.4)
ББК 31.2
 
З93

Зуев С.М.

З93 
 
Энергетическая эффективность систем электрооборудования ав
тономных объектов : монография / С.М. Зуев, Р.А. Малеев, А.Е. Чернов. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 170 с. — (Научная мысль). — DOI 
10.12737/1740252.

ISBN 978-5-16-017104-3 (print)
ISBN 978-5-16-109659-8 (online)
При рассмотрении основных тенденций развития современных авто
номных объектов (летательных аппаратов, боевых машин, автотранспорта, 
плавучих средств, сельскохозяйственных машин и т.д.) в последние десятилетия можно выделить два ключевых направления. Первое направление 
связано с совершенствованием традиционных конструкций автономных 
объектов (АО) с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) или газотурбинным двигателем (ГТД). Второе направление связано с созданием новых 
типов АО, а именно электрических АО (ЭАО), АО с комбинированными 
энергоустановками (АОКЭУ).

Энергетическая эффективность во многом определяется мощностью 

генераторной установки и аккумуляторной батареи, отдаваемой в электрическую сеть в различных режимах движения.

Большинство существующих методик расчета систем электроснабже
ния используют усредненные значения возмущающих факторов (частоты 
вращения генератора, тока потребителей электрической энергии, напряжения в бортовой сети) при выборе характеристик генераторной установки 
и аккумуляторной батареи. При этом очевидно, что при эксплуатации 
автотранспортного средства эти параметры изменяются в зависимости от 
режима движения. Современные методики выбора основных параметров 
и характеристик системы электроснабжения не предусматривают моделирование ее взаимодействия с системой пуска силового агрегата автотранспортного средства в эксплуатации из-за отсутствия системного подхода.

Выбор генераторной установки и аккумуляторной батареи, а также кон
цепции синтеза системы электроснабжения является проблемой, исследуемой в монографии.

Для всех интересующихся вопросами электротехники и электроники.

УДК 620.9(075.4)

ББК 31.2

ISBN 978-5-16-017104-3 (print)
ISBN 978-5-16-109659-8 (online)

© Зуев С.М., Малеев Р.А., 

Чернов А.Е., 2021

Р е ц е н з е н т ы:

Д.Р. Яхутль, кандидат технических наук, заместитель генерального 

директора Научно-исследовательского и экспериментального института автомобильной электроники и электрооборудования;

А.М. Фиронов, кандидат технических наук, доцент кафедры наземных 

транспортных средств Московского политехнического университета

Условные сокращения

АБ
аккумуляторная батарея
АЗС
автозаправочная станция
АО
автономный объект
АОКЭУ автономный объект с комбинированной энергоустановкой
АСУ
автоматизированная система управления
АТС
автотранспортное средство
АЦП
аналогово-цифровой преобразователь
БАД
блок предупреждения об аварийном режиме дизель-генераторной установки
БДК
блок датчиков коррекции
ВАХ
вольт-амперная характеристика
ГТД
газотурбинный двигатель
ГУ
генераторная установка
ГЭС
гидравлическая электростанция
ДАД
датчик атмосферного давления
ДВС
двигатель внутреннего сгорания
ДГУ
дизель-генераторная установка
ДДМ
датчик давления масла
ДМ
датчик мощности
ДП
датчик положения
ДПДЗ
датчик положения дроссельной заслонки
ДТВ
датчик температуры всасываемого воздуха
ДТМ
датчик температуры масла
ДТО
датчик охлаждающей жидкости
ДТТ
датчик температуры топлива
ДТиТ
датчик тока и температуры
ДЧВ
датчик частоты вращения
ДЭС
дизельная электростанция
КЗ
короткое замыкание
КПД
коэффициент полезного действия
МКЭ
метод конечных элементов
МП
микропроцессорное устройство
МПБУД микропроцессорный блок управления двигателем
МСОИ многоканальная система обмена информацией
ПЗУ
постоянное запоминающее устройство
РН
регулятор напряжения
СУ
система управления
СЭП
система электростартерного пуска
СЭС
система электроснабжения
ТСХ
токоскоростная характеристика
ТЭД
тяговый электродвигатель

ТЭС
тепловая электростанция
ХХ
холостой ход
ШД
шаговый двигатель
ЭАО
электрический автономный объект
ЭВМ
электронно-вычислительная машина
ЭДС
электродвижущая сила
ЭМБ
электромобиль

Введение

Рассматривая основные тенденции развития современных автономных объектов (летательных аппаратов, боевых машин, автотранспорта, плавучих средств, сельскохозяйственных машин 
и т.д.), в последние десятилетия можно выделить два ключевых 
направления. Первое направление связано с совершенствованием 
традиционных конструкций автономных объектов (АО) с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) или газотурбинным двигателем 
(ГТД). Второе направление связано с созданием новых типов АО, 
а именно электрические АО (ЭАО), АО с комбинированными энергоустановками (АОКЭУ).
В настоящее время достижения научно-технического прогресса привели к активной интеграции в состав бортовой сети 
АО сложных электротехнических и электронных комплексов 
и систем, направленных на повышение уровня безопасности, комфорта, функциональности и экологической безопасности АО. При 
этом происходит значительный рост нагрузки на систему электроснабжения АО.
В то же время в экспертной и научной среде не утихают споры 
относительно развития системы электрооборудования АО. Часть 
экспертного сообщества считает, что будущее за интенсификацией развития проектов, построенных на применении электрических технологий (ЭАО и АОКЭУ), часть — небезосновательно 
заявляет о еще недостигнутом пределе развития традиционных 
АО с ДВС и ГТД. Обобщенный анализ российской практики 
эксплуатации традиционных АО на примере автотранспортных 
средств (АТС), использующих электрический привод, показывает, что в настоящее время наибольшие перспективы в плане 
совершенствования конструкции имеют именно традиционные 
АТС с ДВС. Значительные территории, сложные климатические 
условия, недостаточная развитость инфраструктуры использования ЭАО и АОКЭУ существенно ограничивают возможности 
их применения. Таким образом, становится понятно, что наиболее актуальные, комплексные отраслевые задачи по-прежнему 
связаны с обеспечением роста эксплуатационных характеристик 
современных АО традиционной конструкции, в том числе через 
повышение энергетической эффективности и топливной экономичности.
С учетом особой важности авиационной и автомобильной промышленности, а также кораблестроения в экономке России их 
развитие необходимо рассматривать в контексте инновационной 
политики государства. Разработка и реализация комплексных на

учно-технических решений, направленных на повышение эксплуатационной эффективности АО, напрямую связаны с развитием 
цифровых интеллектуальных технологий управления, что укладывается в основные задачи Стратегии научно-технологического развития РФ, утвержденной 1 декабря 2016 года Указом Президента 
Российской Федерации № 642.
Классическая система электроснабжения имеет следующие недостатки:

– отсутствие учета влияния генератора на энергетическую эффективность и расход топлива (при выборе уровня настройки 
регулятора напряжения);

– несовершенство концепции управления системой электроснабжения, направленной на повышение энергетической эффективности и снижение расхода топлива;

– малоэффективные методики расчета и испытаний расхода 
топлива на работу системы электроснабжения в эксплуатации;

– отсутствие комплексного подхода к проектированию 
системы электроснабжения и учета взаимодействия с другими системами электрооборудования, влияющими на ее 
работу;

– полное отсутствие оборудования, измеряющего расход 
топлива, приходящегося на работу системы электроснабжения.
Энергетическая эффективность во многом определяется мощностью генераторной установки и аккумуляторной батареи, отдаваемой в электрическую сеть в различных режимах движения. 
Большинство существующих методик расчета систем электроснабжения используют усредненные значения возмущающих факторов 
(частоты вращения генератора, тока потребителей электрической 
энергии, напряжения в бортовой сети) при выборе характеристик 
генераторной установки и аккумуляторной батареи. При этом очевидно, что при эксплуатации автотранспортного средства эти параметры изменяются в зависимости от режима движения. Современные методики выбора основных параметров и характеристик 
системы электроснабжения не предусматривают моделирование 
ее взаимодействия с системой пуска силового агрегата автотранспортного средства в эксплуатации из-за отсутствия системного 
подхода.
Расход топлива во многом определяется мощностью генераторной установки и аккумуляторной батареи в различных режимах 
движения автомобиля. Экспериментальные исследования показывают, что увеличение максимального тока отдачи генераторной 

установки до 20А приводит к увеличению расхода топлива двигателем на 10—15%.
Выбор генераторной установки и аккумуляторной батареи, 
а также концепции синтеза системы электроснабжения является 
проблемой, решаемой в работе.

Глава 1 
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ 
ЭФФЕКТИВНОСТИ И ТОПЛИВНОЙ 
ЭКОНОМИЧНОСТИ АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ

В настоящее время для повышения энергетической эффективности и топливной экономичности автономных объектов применяются следующие технические решения [1, 16]:

– применение электрического привода (ЭАО);
– применение комбинированного привода (совместно с ДВС 
или ГТД применяется электродвигатель АОКЭУ);

– оптимизация работы систем электрооборудования, оказывающих влияние на энергетическую эффективность и топливную экономичность АО.
Наряду с очевидными преимуществами ЭАО и АОКЭУ, связанными с высокой энергетической эффективностью, они имеют и существенные недостатки, а именно:

– малый запас хода без участия первичного двигателя (ДВС 
или ГТД);

– проблемы с аккумуляторными батареями (АБ), возникающие 
в процессе эксплуатации и утилизации (большая величина 
тока саморазряда, зависимость напряжения от температуры, 
небольшой срок службы);

– сложная конструкция ЭАО и АОКЭУ (количество узлов 
и агрегатов значительно больше, чем в традиционных АО 
с ДВС или ГТД);

– большая масса по сравнению с АО традиционной конструкции;
– высокая стоимость и сложность ремонта.
Кроме того, в противовес мнению о высокой энергетической эффективности, технический анализ, проведенный на примере АТС, показывает: из 100% топлива, расходуемого на электростанциях, для движения АТС используется около 15%. Это связано с потерей энергии 
в линиях электропередачи, трансформаторах, преобразователях, зарядных устройствах для АБ, в самих АБ, электромашинах, а также 
в тормозах при отсутствии рекуперации энергии. Для сравнения 
ДВС в оптимальном режиме преобразует в механическую энергию 
около 40% химической энергии топлива. При этом не следует забывать, что суммарная мощность ДВС всех АТС, используемых во всем 
мире, намного превышает мощность всех электростанций.
По нашему мнению, которое основано на результатах многолетних исследований, АО, относящиеся к первой и второй группам, 

в течение будущих 20–30 лет не найдут широкого распространения. 
Это подтверждают и объемы производства электромобилей и гибридных АТС в мире. Например, в 2019 году суммарный объем 
производства автомобилей с электрическим и гибридным приводом 
от общего объема составлял:

– в Японии 16%;
– в США 10%;
– в странах ЕЭС 8%.
Расход топлива на привод генераторной установки на современных автомобилях с бензиновыми двигателями в городе достигает двадцати процентов от общего расхода топлива. Это значение 
рассчитывается из следующих показателей:

– удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания 
(0,3—0,5 л/кВт·ч), известные из теории конструкции и эксплуатации автомобиля;

– КПД генераторной установки, находящегося в диапазоне 
от 0,4 до 0,5;

– мощности приемников электрической энергии в режиме 
«город — зима — ночь» (0,4—0,6 кВт);

– средней скорости движения автомобиля, составляющая 
менее 22 км/ч по данным Департамента автомобильного 
транспорта г. Москвы;

– расхода топлива легковым автомобилем среднего класса, составляющего 10–12 л на 100 км.
Поэтому наиболее перспективным для повышения энергетической эффективности АО является оптимизация работы оборудования, влияющего на расход топлива ДВС, в частности генераторной установки.
Далее рассмотрены особенности ЭАО и АОКЭУ на примере различных типов АТС, поскольку летательные аппараты, боевые машины, плавучие средства и сельскохозяйственные машины имеют 
практически аналогичную конструкцию электрического и силового 
агрегата [1].

1.1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ 
С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И КОМБИНИРОВАННОЙ СИЛОВОЙ 
УСТАНОВКОЙ

1.1.1. Технический анализ достоинств и недостатков автономных 
объектов с электрической и комбинированной силовой 
установкой
Технический анализ достоинств и недостатков автономных объектов с электрической и комбинированной силовой установкой про

веден на примере легковых автомобилей, поскольку электрический 
и комбинированный привод наиболее широко применяется именно 
при их производстве. В последние годы производство и продажа 
электромобилей и гибридных автомобилей (автомобили с комбинированной силовой установкой) переживают значительный рост, 
однако это не означает полную замену АТС традиционной структуры на альтернативные АТС.
Для подтверждения этого тезиса необходимо провести комплексную оценку полного жизненного цикла и WTW-анализ [2]. 
Применение WTW-анализа (well-to-wheel, «от скважины до колеса») позволяет комплексно охватить полную оценку экологического баланса при трансформации топлива из первичного ресурса 
в полезную энергию движения. WTW-анализ включает фазу WTT 
(well-to-tank, «от скважины до бака»): производства, переработки 
и доставки топлива — и фазу TTW (tank-to-wheel, «от бака до колеса»), учитывающую энергетическую эффективность двигателя 
и привода крутящего момента на колеса автомобиля. В работе [3] 
анализировались заявленные производителями показатели расхода 
топлива и выбросов оксида углерода для гибридных автомобилей, 
которые имеют такие высокие показатели благодаря применяемой 
методике тестирования. По Правилам ЕЭК ООН № 101, в работе 
[4] анализировалась реальная энергетическая эффективность электромобилей применительно к российскому рынку с учетом средних 
значений эффективности производства и транспортировки электроэнергии в РФ.
Во многих современных автомобильных изданиях, где приводятся оценки производимых и продаваемых моделей автомобилей, 
в технической литературе, на сайтах автомобильных компаний 
часто утверждается, что электромобили имеют значительные экологические и экономические преимущества по сравнению с традиционными АТС.
Электромобиль имеет следующие преимущества:
– высокие экологические показатели из-за отсутствия применения нефтяных топлив, антифризов, трансмиссионных 
и моторных масел, фильтров для этих жидкостей, а также отсутствия вредных выхлопов;

– простота и надежность конструкции (надежность электродвигателя и трансмиссии, отсутствие необходимости в переключении передач), приводящие к простоте в техобслуживании;

– дешевизна при эксплуатации за счет применения дешевой 
(по сравнению с бензином) электроэнергии, вырабатываемой 
АЭС, ГЭС и электростанциями, использующими восстанавливаемые источники.