Удосконалення математичної моделі оптимального руху електромобіля з урахуванням маси вантажу, рекуперації енергії та теплового стану електропривода

Abstract

Роботу присвячено розробленню удосконаленого математичного опису руху завантаженого електромобіля маршрутом зі змінним нахилом. Досліджується взаємозв’язок між динамікою транспортного засобу, витрачанням і поверненням електричної енергії, нагріванням тягового двигуна та технічними межами, яких необхідно дотримуватися під час формування закону керування. Збільшення корисного навантаження й подолання підйому потребують вищої тягової потужності, тоді як зменшення заряду акумулятора або наближення температури двигуна до граничного значення обмежують доступні режими. Під час руху на спуску частина енергії може бути повернена до батареї, однак інтенсивність цього процесу залежить від швидкості, резерву її ємності та теплового стану електропривода. Тому завданням роботи стало створення фізично обґрунтованої моделі помірної деталізації, придатної для оптимізаційних розрахунків без надмірного ускладнення обчислень. Методологічною основою є положення теорії оптимального керування транспортними електромеханічними системами, адаптовані до автономного джерела живлення та змінної маси. Стан електромобіля задається положенням на маршруті, швидкістю, рівнем заряду акумуляторної батареї та температурою електродвигуна. Керуючою змінною прийнято знакозмінне зусилля на ведучих колесах: додатне значення відповідає тяговому режиму, а від’ємне – електричному або комбінованому гальмуванню. Маса корисного вантажу введена як безперервний параметр повної маси, завдяки чому різні ступені завантаження досліджуються в межах незмінної структури рівнянь. Дорожній профіль задається залежністю кута нахилу від пройденого шляху, що забезпечує відтворення чергування підйомів, спусків і рівних відрізків. Для комплексного оцінювання поточних умов запропоновано узагальнений нечіткий коефіцієнт режимної складності . Його формують нормовані показники відносного завантаження, нахилу дороги, заряду батареї, температури двигуна та потенціалу рекуперації. Розрахунок передбачає фазифікацію вхідних даних, застосування бази правил, агрегування результатів і дефазифікацію. Вихідна оцінка дає змогу віднести режим до сприятливої, номінальної, ускладненої або критичної області. При цьому маса та нахил безпосередньо входять до рівняння руху, а нечіткий коефіцієнт коригує узагальнений опір відповідно до поєднання енергетичних і теплових умов. Така побудова не дублює дію фізичних сил та дає змогу врахувати нелінійний взаємовплив чинників без створення окремої громіздкої залежності для кожного з них. Удосконалена модель об’єднує механічну, енергетичну й теплову складові. Перша описує зміну швидкості під дією тягово-гальмівного зусилля, сили тяжіння та опору руху. Друга визначає баланс потужності батареї з урахуванням витрат на тягу, допоміжного навантаження і надходження енергії в рекуперативному режимі. Третя відтворює накопичення тепла від втрат під час роботи двигуна як у моторному, так і в генераторному режимі, а також тепловіддачу до навколишнього середовища. За наближення температури до допустимої межі передбачається обмеження тягової та рекуперативної потужності. Критерій оптимізації поєднує енергетичні витрати, теплове навантаження, інтенсивність керування та плавність його зміни. Розв’язок шукається з дотриманням обмежень на швидкість, стан заряду, температуру, допустимі зусилля й умови проходження заданої ділянки. Науковий результат полягає у створенні цілісного опису автономного електромобіля, в якому змінне завантаження, дорожній рельєф, рекуперативний обмін, стан батареї та нагрівання електропривода узгоджено в одній задачі оптимального керування. Використання забезпечує компактне подання режимної складності зі збереженням фізичного змісту основних балансів. Практична цінність моделі визначається можливістю порівнювати маршрути, маси вантажу, налаштування рекуперації та температурні обмеження, а надалі використовувати результати для синтезу енергоощадного алгоритму керування в реальному часі.