Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

УКРУПНЕННЫЙ ПРОЕКТИРОВОЧНЫЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ СИСТЕМЫ БЫСТРОГО ГОРОДСКОГО АВТОБУСНОГО ТРАНЗИТА (БГАТ)

Шелмаков П.С. 1 Шелмаков С.В. 1
1 Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)
1. Скоростные автобусные перевозки. Руководство по планированию. / Нью-Йорк: Институт политики транспорта и развития (США). Издание третье, июнь 2007 г.
2. С. Флоренцев, Л. Макаров, В. Менухов, И. Варакин. Экономичный экологичный гибридный городской автобус. [Электронный ресурс]: [офиц. сайт]. – Режим доступа: http://www.russianelectronics.ru/skachivanie/44113/0/ (Дата обращения: 20.01.2016).
3. Трофименко Ю.В., Шелмаков С.В. Оценка токсичности и топливной экономичности автотранспортных средств в ездовых циклах. // Транспорт: наука, техника, управление. – 1994. – №3. – С. 56 – 63.

Быстрый городской автобусный транзит (БГАТ) – это высококачественная, базирующаяся на автобусах транспортная система, которая удовлетворяет потребности горожан в быстрой, удобной и рентабельной мобильности, путем создания инфраструктуры выделенных полос движения, обеспечения быстрых и частых рейсов, а также использования передового уровня в маркетинге и обслуживании клиентов [1].

Фактически, БГАТ такая же удобная и эффективная система, как система рельсового транспорта, но требующая при этом намного меньше финансов. Стоимость систем БГАТ обычно от 4 до 20 раз меньше (БГАТ – $0,5…$14 млн/км), чем стоимость трамвайной или легкорельсовой транспортной системы (ЛРТ – $15…$45 млн/км) и от 10 до 100 раз меньше, чем метро (МРТ – $45…$350 млн/км). Сроки строительства систем БГАТ также существенно меньше (1…3 года после создания концепции), чем систем рельсового транспорта.

Пассажирооборот в системе БГАТ может составлять от 3000 до 45000 пассажиров в час в одном направлении (п/ч/н), в то время, как пассажирооборот однополосной автомобильной дороги составляет 1500…3000 п/ч/н, традиционных автобусных линий – 500…5000 п/ч/н, трамвая и ЛРТ – до 12000 п/ч/н, а метро – от 25 000 до 80 000 п/ч/н.

На сегодняшний день БГАТ все чаще применяется в городах, заинтересованных в рентабельных транспортных решениях. Высококачественные массовые системы БГАТ уже существуют как в развивающихся странах, в таких городах, как Богота (Колумбия), Куритиба (Бразилия), Кито (Эквадор), Джакарта (Индонезия), Мехико (Мексика), Тайбэй (Тайвань), Гуанджоу (Китай) и др., так и в развитых странах, в таких городах как Оттава (Канада), Лос-Анджелес (США), Брисбен (Австралия), Эйндховен (Нидерланды), Руан (Франция) и др.

Отличительными особенностями систем БГАТ являются:

Физически выделенные автобусные полосы, которые предназначены для постоянного и исключительного использования общественными транспортными средствами.

Закрытые, защищенные и контролируемые автобусные остановки с турникетами оплаты проезда перед входом и высотой пола, соразмерной высоте пола автобуса.

Высокое качество оказания услуг, удобство, безопасность и скорость обслуживания, сравнимые с метро.

Высокая степень интеграции с другими видами общественного городского транспорта, велосипедной и пешеходной инфраструктурой.

Особенностью данной системы является также использование специализированных автобусов, соответствующих конструкции инфраструктуры и условиям эксплуатации. Транспортные средства должны иметь большую пассажировместимость и пропускную способность дверных проёмов для снижения времени посадки и высадки пассажиров. Высокопольные автобусы имеют преимущество с этой точки зрения, у них на 20…30 % ниже затраты на обслуживание и приобретение, а также такая компоновка позволяет установить комбинированную силовую установку между передней и задней осью автобуса. Кроме того, автобус оснащается откидным пандусом для организации посадки с уровня платформы, удобства и безопасности пассажиров, в том числе инвалидов, родителей с детскими колясками, велосипедистов.

Условия эксплуатации автобусов БГАТ характеризуются:

- высокими требованиями к надёжности и безопасности;

- явно выраженным циклическим режимом движения;

- интенсивными разгонами и замедлениями;

- частыми технологическими остановками для посадки и высадки пассажиров;

- высокими требованиями к экономичности и экологичности (выбросы загрязняющих веществ, шум).

Конфигурация силового агрегата у транспортных средств для БГАТ может быть довольно разнообразной [1, 2]:

- ДВС – двигатель внутреннего сгорания (дизельный или газовый, поршневой или газотурбинный);

- Электромотор, питаемый от контактной электросети (троллейбус);

- Электромотор, питаемый от аккумуляторной батареи (электробус);

- Электромотор, питаемый от аккумуляторной батареи и генератора с приводом от ДВС (последовательный гибрид);

- ДВС и электромотор, питаемый от аккумуляторной батареи и генератора с приводом от ДВС (параллельный гибрид);

- Электромотор, питаемый от накопителя энергии (аккумуляторной батареи или суперконденсатора), подзаряжаемого на остановочных пунктах от контактной или беспроводной сети (т.н. OLEV On-Line Electric Vehicle – подзаряжаемый на маршруте электробус);

- Электромотор, питаемый от батареи топливных ячеек (Fuel Cell Electric Vehicle электробус с топливными ячейками);

- Электромотор, питаемый от аккумуляторной батареи с подзарядкой от фотогальванических элементов (электробус с фотогальванической подзарядкой).

В данной статье будет проведена укрупнённая оценка параметров силовой установки для системы БГАТ наиболее распространённых на практике вариантов. Для решения данной задачи, прежде всего, следует определиться с типом и характеристиками транспортного средства, а также с типичными условиями движения автобусов на маршрутах БГАТ.

В качестве объекта исследования был выбран 12-метровый, 19-тонный автобус, рассчитанный на перевозку 100 пассажиров.

Для представления типичных условий движения, на основании рекомендаций [1], был разработан ездовой цикл, состоящий из трёх этапов: 1) движение от одного остановочного пункта до следующего без остановок; 2) движение в режиме полуэкспресса с остановками «через один» остановочный пункт; 3) движение от одного остановочного пункта до следующего с остановкой на перекрёстке. Относительная весомость этапов была принята одинаковой. Максимальная скорость движения на полосах БГАТ принята 70 км/ч. Расстояние между остановочными пунктами – 500 м. Время стоянки на остановочных пунктах – 25 с. Время стоянки на перекрёстке – 25 с. Расстояние от перекрёстка до остановочного пункта – 100 м. Общая протяжённость ездового цикла – 2100 м.

На рис. 1 показана зависимость скорости автобуса с ДВС мощностью 290 кВт и 6-ступенчатой КПП от времени движения по ездовому циклу БГАТ. Данная зависимость получена при помощи компьютерного моделирования с использованием программного комплекса «Автомобиль», разработанного в МАДИ [3]. Она положена в основу анализа энергетических балансов автобусов с разными вариантами энергоустановок.

На рис. 2 показан энергетический баланс автобуса БГАТ в разработанном ездовом цикле. Суммарные затраты энергии на тягу составили 5,42 кВт?ч, что соответствует 2,58 кВт?ч/км.

Это означает, что при использовании энергоустановки автобуса в составе «электродвигатель мощностью 290 кВт», ёмкость бортового накопителя энергии должна составлять 258 кВт?ч для обеспечения запаса хода 100 км.

На рис. 3 представлен энергетический баланс автобуса БГАТ с оборудованием для рекуперации энергии замедления. Мощность рекуператора принята равной мощности тягового двигателя, а КПД данного оборудования принят равным 70 %.

Как видно из рисунка, за счёт рекуперации энергии замедления удаётся вернуть 1,26 кВт*ч энергии (примерно треть от полной энергии замедления), и итоговые затраты энергии в ездовом цикле составляют 4,16 кВт*ч, что соответствует 1,98 кВт*ч/км. Однако максимум графика итоговых энергозатрат достигает значения 4,32 кВт*ч или 2,06 кВт*ч/км.

Это означает, что при использовании энергоустановки автобуса в составе «электродвигатель/генератор мощностью 290 кВт + оборудование для рекуперации энергии замедления (КПД=70 %)», ёмкость бортового накопителя энергии должна составлять 206 кВт*ч для обеспечения запаса хода 100 км.

На рис. 4 представлен энергетический баланс автобуса БГАТ с оборудованием для рекуперации энергии замедления и дополнительным энергоисточником для постоянной подзарядки бортового накопителя энергии. В качестве дополнительного энергоисточника была подобрана пара «двигатель + генератор». Двигатель вырабатывает постоянную мощность 74 кВт, а генератор имеет КПД=92 %. Подбор мощности двигателя производился исходя из требования обеспечения «нулевого» баланса энергопотребления в ездовом цикле. При этом следует иметь в виду, что указанная мощность не является номинальной мощностью двигателя, которая может быть на 30 % больше. Это связано с фиксацией работы двигателя при приводе генератора на режиме максимальной эффективности, а не на режиме номинальной мощности. Таким образом, номинальная мощность двигателя будет составлять порядка 100 кВт.

ris44.tiff

Рис. 1. Ездовой цикл автобуса БГАТ

ris45.tiff

Рис. 2. Энергетический баланс автобуса БГАТ в ездовом цикле

ris46.tiff

Рис. 3. Энергетический баланс движения автобуса БГАТ с учетом рекуперации энергии замедления

Как видно из рисунка, за счёт рекуперации энергии замедления удаётся вернуть 1,26 кВт?ч энергии, дополнительный энергоисточник вырабатывает за цикл 4,19 кВт?ч энергии, таким образом, итоговый баланс энергии в ездовом цикле «обнуляется». Однако максимум графика итоговых энергозатрат достигает значения 1,41 кВт?ч.

ris47.tiff

Рис. 4. Энергетический баланс движения автобуся БГАТ с учетом рекуперации энергии замедление и подзарядки от системы «двигатель+генератор»

ris48.tiff

Рис. 5. Энергетический баланс движения автобуса БГАТ с учетом рекуперации энергии замедления и подзарядки от электросети на остановочных пунктах

Это означает, что при использовании энергоустановки автобуса в составе «электродвигатель/генератор мощностью 290 кВт + оборудование для рекуперации энергии замедления (КПД=70 %) + ДВС мощностью 100 кВт + генератор мощностью 74 кВт и КПД=92 %», ёмкость бортового накопителя энергии должна составлять 1,41 кВт?ч. При этом запас хода автобуса ограничивается только запасом топлива для работы дополнительного энергоисточника (ДВС).

На рис. 5 представлен энергетический баланс автобуса БГАТ с оборудованием для рекуперации энергии замедления и оборудованием для быстрой периодической подзарядки бортового накопителя энергии от внешней электросети во время пребывания автобуса на остановочных пунктах. Мощность зарядного устройства подобрана на уровне 223 кВт, а его КПД составляет 90 %. Подбор мощности зарядного устройства производился исходя из требования обеспечения «нулевого» баланса энергопотребления в ездовом цикле.

Как видно из рисунка, за счёт рекуперации энергии замедления удаётся вернуть 1,26 кВт?ч энергии, зарядное устройство пополняет запасы энергии за цикл на 4,18 кВт?ч, таким образом, итоговый баланс энергии в ездовом цикле «обнуляется». Однако максимум графика итоговых энергозатрат достигает значения 2,27 кВт?ч.

Это означает, что при использовании энергоустановки автобуса в составе «электродвигатель/генератор мощностью 290 кВт + оборудование для рекуперации энергии замедления (КПД=70 %) + зарядное устройство мощностью 223 кВт и КПД=90 %», ёмкость бортового накопителя энергии должна составлять 2,27 кВт?ч. При этом запас хода автобуса не ограничивается (т.е. он ограничивается только протяженностью маршрутной сети, на которой имеются станции подзарядки).

Таким образом, в результате проведённых расчётов получены ориентировочные (в рамках принятых допущений) значения параметров гибридной силовой установки для системы быстрого городского автобусного транзита (БГАТ). Полученные ориентиры лягут в основу выбора конкретных образцов оборудования, а также в основу оценок эффективности рассмотренных вариантов.


Библиографическая ссылка

Шелмаков П.С., Шелмаков С.В. УКРУПНЕННЫЙ ПРОЕКТИРОВОЧНЫЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ СИСТЕМЫ БЫСТРОГО ГОРОДСКОГО АВТОБУСНОГО ТРАНЗИТА (БГАТ) // Международный студенческий научный вестник. – 2016. – № 3-1. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=14715 (дата обращения: 30.11.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074