Метод оцінювання енергетичної ефективності автомобілів з різними джерелами енергії

Abstract

The article presents a universal approach to the objective assessment of the energy efficiency of vehicles with various types of energy sources. Increasing environmental requirements, transformation of energy markets, growth in transportation volumes, and the global trend toward transport decarbonization determine the need for standardized methods of comparing the energy performance of automobiles. A single energy consumption indicator is proposed, defined as the ratio of the energy carried in the vehicle (whether fuel, electricity, or hydrogen) to the volume of transportation work performed. This approach makes it possible to objectively compare the energy efficiency of conventional internal combustion engine vehicles, electric vehicles, hybrid systems, and others. The paper analyzes modern scientific literature confirming the importance of introducing integral indicators, such as “well-to-wheel,” for a systematic assessment of energy losses at all stages— the energy source to the driven wheels of the vehicle. The proposed methodology is based on clear mathematical formalization, which makes it possible to account for the influence of load level, road conditions, speed regime, and terrain topography. A formalized approach to calculating energy consumption is described in detail. The vehicle mass is considered with regard to payload and the actual weight of the cargo, while transport work is calculated as the product of the total vehicle weight and transportation distance. To ensure a unified comparison of efficiency, universal formulas applicable to all types of powertrains are provided. For various types of fuels, including solid, liquid, and gaseous, methods for calculating energy inputs based on their lower heating value are given. Special attention is paid to the analysis of motion resistances, including tractive force at the wheels, rolling resistance, air resistance, gradient resistance, inertia, and trailer resistance. The use of tractive balance and its dimensionless form is presented to reveal key factors influencing the efficiency of energy use by different vehicle classes. It is shown that as the vehicle mass increases, motion resistance forces grow proportionally; however, the share of air resistance decreases with increasing weight. It is emphasized that the developed universal formulas make it possible not only to perform comparative assessments of design solutions at the vehicle development stage but also to accurately estimate actual operational energy consumption, determine fuel consumption norms, and calculate the required fuel tank volume or battery capacity.

Запропоновано універсальний підхід до об’єктивного оцінювання енергетичної ефективності транспортних засобів з різними типами джерел енергії. Зростання екологічних вимог, трансформація енергетичних ринків, збільшення обсягів перевезень та глобальний курс на декарбонізацію транспорту зумовлюють необхідність у стандартизованих методиках оцінювання та порівняння енергетичної досконалості автомобілів. Запропоновано єдиний показник енергетичних витрат автомобіля з будь-яким джерелом енергії, яким споряджено автомобіль, що визначається як відношення витраченої енергії до обсягу виконаної транспортної роботи. Цей підхід дозволяє об’єктивно порівнювати енергоефективність традиційних автомобілів, оснащених двигунами внутрішнього згоряння, з електромобілями, автомобілями з гібридними системами тощо. У роботі проведено аналіз сучасної наукової літератури, що підтверджує важливість впровадження інтегральних показників, таких як “well-to-wheel”, для системної оцінки втрат енергії на всіх етапах — від джерела енергії до ведучих коліс автомобіля. Запропонована методика базується на чіткій математичній формалізації, що дозволяє враховувати вплив ступеня завантаження, дорожніх умов, швидкісного режиму та топографії місцевості. Детально описано формалізований підхід до обліку енергетичних витрат. Маса транспортного засобу враховується з урахуванням корисного навантаження та фактичної ваги вантажу, а транспортна робота розраховується як добуток повної ваги автомобіля на відстань перевезення. Для забезпечення уніфікованого порівняння економічності наведено універсальні формули, що застосовуються для всіх типів приводів. Для різних видів пального, включно з твердим, рідким та газоподібним, подано методи обчислення енергетичних вкладень на основі їхньої теплоти згоряння. Особлива увага приділяється аналізу впливу на силу тяги на колесах від опорів руху: кочення, повітря, підйому, інерції та причепа. Представлено використання тягового балансу та його безрозмірної форми для розкриття ключових факторів, що впливають на ефективність використання енергії різними класами автомобілів. Показано, що зі зростанням маси автомобіля пропорційно збільшуються сили опору руху, проте частка опору повітря — зменшується. Підкреслюється, що розроблені універсальні формули дозволяють не лише виконувати порівняльне оцінювання проєктних рішень на етапі розробки транспортних засобів, а й точно оцінювати реальні експлуатаційні витрати енергії, визначати норму витрат пального, а також необхідний об’єм паливного баку автомобіля з двигуном внутрішнього згоряння або ємність акумуляторної батареї електромобіля.