Analiza parametrów pracy napędu hybrydowego Toyoty Prius III w procesie hamowania

Transkrypt

1 SOSIK Paweł 1 TARKOWSKI Piotr 2 Analiza parametrów pracy napędu hybrydowego Toyoty Prius III w procesie hamowania WSTĘP Pojazdy hybrydowe, z uwagi na swoje zalety stają się coraz bardziej popularne na rynkach Europy zachodniej jak również w Stanach Zjednoczonych. Stanowią one alternatywę, dla pojazdów spalinowych i elektrycznych. Główne zalety użytkowania pojazdów z napędem hybrydowym, to ograniczenie emisji spalin, zmniejszenie zużycia paliwa, oraz akumulacja energii odzyskanej podczas realizacji cyklu jezdnego. W samochodach z hybrydowym układem napędowym znaczna część energii kinetycznej, jest w fazie hamowania odprowadzona do akumulatora, stanowiącego wtórne źródło energii napędowej [1]. W układach hybrydowych rekuperacja energii hamowania prowadzi do znaczącego obniżenia energochłonności ruchu, co jest szczególnie korzystne w jeździe miejskiej [1].Wobec udanych prób zastosowania układu hybrydowego, również w samochodach osobowych [2,3], tego rodzaju napęd jest uznawany jako przyszłościowy [1]. Energochłonność jest parametrem energetycznym ruchu pojazdu, obok zużycia paliwa [5]. Pojazdy z napędem hybrydowym z uwagi na różnorodność rozwiązań konstrukcyjnych [6,7,8] charakteryzują się zróżnicowaną efektywnością energetyczną i większą w porównaniu z napędem klasycznym. Badania zostały przeprowadzone na pojeździe Toyota Prius III, który jest reprezentantem tzw. pełnej hybrydy. 1. OPIS OBIEKTU BADANIA Badanym pojazdem była Toyota Prius III generacji przedstawiona na rysunku 1, wyposażona w silnik spalinowy, silnik elektryczny M2, generator M1, oraz przekładnie planetarną. Rys. 1. Toyota Prius III na hamowni podwoziowej 1 Lenartowicz Andrzej Lenartowicz, Lublin, Al. Spółdzielczości Pracy84. Tel: , Fax: , pawel.sosik@lenartowicz.chrysler.pl 2 Politechnika Lubelska, Katedra Pojazdów Samochodowych ; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , p.tarkowski@pollub.pl 5899

2 Dane techniczne pojazdu przedstawia tabela1. Tab. 1. Dane techniczne pojazdu Toyota Prius III [4] Nr Parametr Jednostka Wartość 1 Średnie zużycie paliwa dm 3 /1 km 3,9/4, 2 Zużycie paliwa poza miastem dm 3 /1 km 3,7/3,8 3 Zużycie paliwa w cyklu miejskim dm 3 /1 km 3,9/4, 4 Pojemność zbiornika paliwa dm Średnia emisja CO 2 g/km 89/92 6 Pojemność skokowa silnika spalinowego cm Maksymalna moc silnika spalinowego kw 73 8 Maksymalny moment obrotowy silnika spalinowego Nm Maksymalna moc silnika elektrycznego kw 6 1 Maksymalny moment obrotowy silnika elektrycznego Nm Łączna moc układu hybrydowego kw 1 12 Prędkość maksymalna km/h Przyspieszenie -1 km/h s 1,4 14 Współczynnik oporu powietrza cx,25 15 Masa własna min/max kg 137/ METODYKA PRZEPROWADZENIA BADAŃ Pomiary zostały przeprowadzone na hamowni podwoziowej. Do badań wykorzystano następującą aparaturę: jednorolkową hamownię podwoziową z elektryczną symulacją bezwładności firmy AVL Zollner urządzenie diagnostyczne Intelligent II Toyota. Badania przeprowadzone zostały w następujących warunkach: temperatura zewnętrzna 23,5 [ C] wilgotność powietrza 31,5 [%] ciśnienie 112,5 [hpa] Pomiary polegały na zapisie wybranych parametrów pracy napędu hybrydowego podczas dwóch prób symulacyjnych: Pierwsza próba polegała na hamowaniu z prędkości 8 km/h z zadanym momentem hamowania 25 Nm. Druga próba polegała na hamowaniu z prędkości 8 km/h z zadanym momentem hamowania 5 Nm. Próba udana, choć z uwagi na dużą intensywność hamowania elementy cierne układu hamulcowego poddane zostały dużemu obciążeniu cieplnemu. Do zapisu wybranych parametrów pracy napędu hybrydowego wykorzystano urządzenie diagnostyczne Intelligent II Toyota. 3. PRZEBIEG BADAŃ Podczas badań w każdej z prób za pomocą urządzenia diagnostycznego inteligent II Toyoty rejestrowano następujące parametry: a) Prędkość pojazdu [km/h]. b) Moment hamowania, który jest odpowiednikiem ciśnienia w układzie hamulcowym [Nm]. c) Prędkość obrotowa silnika elektrycznego MG2 [obr/min]. d) Moment obrotowy silnika elektrycznego MG2 [Nm]. e) Rzeczywista wartość momentu obrotowego silnika elektrycznego MG2 [Nm]. f) Prędkość obrotowa generatora MG1 [obr/min]. g) Moment obrotowy generatora MG1 [Nm]. h) Rzeczywista wartość momentu obrotowego generatora MG1 [Nm]. i) Rzeczywista wartość momentu hamowania regeneracyjnego [Nm]. Moment wykorzystany do napędu silnika elektrycznego MG2, który w momencie hamowanie staje się generatorem ładującym akumulator HV. 59

3 Moment hamowania [Nm] j) Różnica pomiędzy maksimum i minimum wartości stanu naładowania akumulatora HV [%]. k) Napięcie przed wzmocnieniem [V]. l) Napięcie po wzmocnieniu [V]. m) Stan naładowania akumulatora [%]. n) Napięcie akumulatora HV [V]. o) Natężenie akumulatora HV [A]. p) Prędkość obrotowa silnika spalinowego [obr/min]. q) Temperatura akumulatora HV [ C]. Na rysunkach 2-1 zestawiono wyniki z przeprowadzonych pomiarów z uwzględnieniem wybranych parametrów. 4. WYNIKI BADAŃ Na rysunkach 2-1 zestawiono wyniki z przeprowadzonych pomiarów wybranych parametrów pracy napędu hybrydowego. Z uwagi na różnorodność badanych parametrów analizie poddano tylko wybrane z nich i podano w niniejszym opracowaniu Próba hamowania z prędkości 8 km/h z momentem hamowania 5 Nm Próba hamowania z prędkości 8 km/h z momentem hamowania 25 Nm Rys. 2. Zestawienie wyników momentu hamowania z prędkości 8 [km/h] w dwóch próbach z założonym momentem hamującym 25 i 5 Nm 591

4 Prędkość pojazdu [km/h] Moment hamowania regeneracyjnego [Nm] Zapis próby z założonym momentem hamowania 5 [Nm] Zapis próby z założonym momentem hamowania 25 [Nm] Rys. 3. Zestawienie wyników momentów hamowania regeneracyjnego w dwóch próbach hamowania z prędkości 8 [km/h] z założonym momentem hamującym 25 i 5 [Nm] 8 6 Zapis próby z założonym momentem hamowania 5 [Nm] Zapis próby z założonym momentem hamowania 25 [Nm] Rys. 4. Przebieg profilu prędkości w dwóch próbach hamowania z prędkości 8 [km/h] z założonym momentem hamującym 25 i 5 [Nm] 592

5 Napięcie przed wzmocnieniem [V] Napięcie po wzmocnieniu [V] Prędkość obrotowa silnika elektrycznego MG2 [obr/min] Moment obrotowy silnika elektrycznego MG2 [Nm] 4-4 Zapis próby hamowania z prędkości 8 [km/h] z założonym momentem hamowania 25 [Nm] Zapis próby hamowania z prędkości 8 [km/h] z założonym momentem hamowania 25 [Nm] Rys. 5. Przebieg prędkości obrotowej i momentu obrotowego silnika elektrycznego MG2 przy próbie hamowania z prędkości 8 [km/h] z założonym momentem hamującym 25 [Nm] Próba hamowania z prędkości 8 [km/h] z założonym momentem hamującym 25 [Nm] Próba hamowania z prędkości 8 [km/h] z założonym momentem 25 [Nm] Rys. 6. Zestawienie wyników napięcia przed wzmocnieniem przez falownik i po wzmocnieniu przy próbie hamowania z założonej prędkości 8[km/h] i założonym momentem hamującym 25 [Nm] 593

6 Prędkość obrotowa silnika spalinowego [obr/min] Prąd akumulatora HV [A] Napięcie akumulatora HV [V] Rys. 7. Zestawienie wyników napięcia i natężenia akumulatora HV podczas próby hamowania z założonej prędkości 8[km/h] z założonym momentem hamującym 25 [Nm]. 12 Kolor szary - prędkość obrotowa silnika spalinowego podczas próby hamowania z założonym momentem hamującym 25 [Nm] Kolor czerwony - prędkość obrotowa silnika spalinowego podczas próby hamowania z założonym momentem hamującym 5[Nm] Rys. 8. Zestawienie wyników prędkości obrotowej silnika spalinowego dla próby hamowania z założonej prędkości 8 [km/h] z założonym momentem hamującym 25 i 5 [Nm] 594

7 Stan naładowania akumulatora HV[%] Temperatura akumulatora HV [ C] Próba hamowania z założonej prędkości 8 [km/h] z założonym momentem hamującym 5 [Nm] Próba hamowania z założonej prędkości 8 [km/h] z założonym momentem hamującym 25 [Nm] Rys. 9. Zestawienie wyników temperatury akumulatora HV podczas próby hamowania z założonej prędkości 8 [km/h] z założonym momentem hamującym 25 i 5 [Nm] Stan naładowania akumulatora HV podczas próby hamowania z prędkości 8 [km/h] z założonym momentem hamującym 5 [Nm] Stan naładowania akumulatora HV podczas próby hamowania z prędkości 8 [km/h] z założonym momentem hamującym 25 [Nm] Czas[ms] Rys. 1. Zestawienie wyników stanu naładowania akumulatora HV podczas próby hamowania z założonej prędkości 8 [km/h] z założonym momentem hamującym 25 i 5 [Nm] 595

8 5. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Analizując wyniki pomiarów na wstępie należy podkreślić, iż rzeczywiste wartości momentów hamowania w dwóch próbach symulacyjnych wynoszą odpowiednio 25 i 49[Nm]. Tak więc w drugiej próbie rzeczywisty średni moment hamujący jest o 1[Nm] mniejszy od momentu założonego, a maksymalna wartość dochodzi do 56 [Nm], co wynika z wykresu przedstawionego na rysunku 2. Na rysunku 3 przedstawione zostały wyniki pomiarów momentu hamowania regeneracyjnego. Moment ten jest wykorzystywany do napędu silnika elektrycznego M2, który staje się generatorem i ładuje akumulator HV. Jest to istotny parametr w przypadku pojazdów z napędem hybrydowym mający wpływ na bilans energetyczny. Maksymalny moment hamowania regeneracyjnego zarejestrowano dla próby hamowania z momentem hamującym 25[Nm], który wynosi 23[Nm], wartość średnia dla tej próby w początkowej fazie procesu hamowania wynosiła ok. 7 [Nm]. W przypadku próby drugiej, z rysunku 3 wynika iż średnia wartość momentu regeneracyjnego oscyluje w granicach 4[Nm] i przebiega od wartości maksymalnej 69[Nm] do. Przebieg momentu obrotowego i prędkości obrotowej podczas próby hamowania z momentem hamującym 25[Nm] przedstawia rysunek 5. Prędkość obrotowa silnika elektrycznego MG2 wynosi 55[obr/min] przy momencie obrotowym ok. 32[Nm] w początkowej fazie, tuż przed zatrzymaniem pojazdu moment obrotowy osiąga maksymalną wartość 1[Nm]. Kolejnym parametrem poddanym analizie było napięcie przed wzmocnieniem i po wzmocnieniu przez falownik przy próbie hamowania z momentem hamującym 25[Nm]. Rysunek 6 przedstawia maksymalną wartość napięcia po wzmocnieniu 6[V], maksymalna wartość napięcia przed wzmocnieniem wynosi 266[V]. Podczas próby hamowania z prędkości 8[km/h] z momentem hamującym 25[Nm] zarejestrowano napięcie i natężenie akumulatora HV. Maksymalne napięcie wynosi 265[V] i spada do około 235[V]. Maksymalna wartość natężenia 6[A], przedstawiono na rysunku 7. Rysunek 9 przedstawia przebieg temperatury akumulatora w dwóch próbach hamowania. Podczas próby hamowania z założonym momentem hamującym 5[Nm] akumulator osiągnął maksymalną temperaturę 4.2[ C], natomiast w przypadku próby hamowania z założonym momentem hamującym 25[Nm] akumulator osiągnął maksymalną temperaturę 37,25[ C]. Na rysunku 1 przedstawiono stan naładowania akumulatora zarejestrowany podczas opisywanych dwóch prób. Podczas hamowania z prędkości 8[km/h] z założonym momentem hamującym 5[Nm] wartość maksymalna wynosiła ok. 79[%], podczas gdy podczas próby hamowania z założonym momentem 25[Nm] wartość ta wynosiła 64,5[%]. Zarejestrowane i opisane parametry dotyczą konkretnego przypadku badań i mogą się różnić w zależności od czynników takich jak, stan naładowania akumulatora, temperatura zewnętrzna, wilgotność powietrza, ilość włączonych odbiorników prądu np. klimatyzacja itd. Należy zaznaczyć, iż układ zastosowany w Toyocie Prius jest układem szeregowo równoległym i część mocy jest przenoszona mechanicznie. Z uwagi na to, że analiza układu hybrydowego Toyoty Prius jest zagadnieniem złożonym niniejszy artykuł przedstawia jedynie uproszczoną analizę zagadnienia. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych pomiarów, oraz ich analizy można sformułować następujące wnioski: W procesie hamowania pojazdu Toyota Prius III, hamulec regeneracyjny bazuje na sile oporu wytwarzanej na półosi w kierunku przeciwnym do obrotu silnika elektrycznego MG2, który staje się prądnicą i wytwarza prąd elektryczny co znajduje potwierdzenie w literaturze przedmiotu. Im jest większy wytwarzany prąd (prąd ładowania akumulatora), tym większa będzie siła oporu [9]. Półosie napędowe i silnik elektryczny MG2, połączone są mechanicznie, gdy koła napędzające obracają się i wywołują jego pracę jako prądnicy, siła hamulca regeneracyjnego jest przekazywana do kół napędzających i jest regulowana przez układ sterowania napędem hybrydowym THS, który steruje wytwarzaniem energii elektrycznej [9], co potwierdzają badania. Proces hamowania jest 596

9 realizowany przez sterowanie współdziałające przy pomocy układu THS, wytworzenie łącznej siły hamowania przez hamulec regeneracyjny i hydrauliczny [9]. Analiza wybranych parametrów pracy oraz analiza energochłonności umożliwia diagnostykę pojazdów z napędem hybrydowym, oraz umożliwia optymalizację konstrukcji napędu. Dla obniżenia zużycia paliwa i zmniejszenia emisji toksycznych związków sterownik przypływu mocy HV ECU steruje optymalnie dostępną mocą i momentem obrotowym, analiza ta pozwala na poznanie metod sterowania i ewentualną korektę w sterowaniu. Analiza ta wspiera rozwój technologii proekologicznych. Streszczenie Eksploatacja pojazdów samochodowych z napędem hybrydowym wymaga analizy wpływu parametrów cyklu jezdnego na energochłonność ruchu. Artykuł przedstawia metodykę przeprowadzonych badań wybranych parametrów pojazdu z napędem hybrydowym Toyota Prius III generacji. Badania przeprowadzono na hamowni podwoziowej, dla dwóch cykli jazdy podczas których zapisano parametry pracy napędu hybrydowego. Cykle obejmowały fazę proces hamowania pojazdu. Proces hamowania, jako składnik bilansu energetycznego pojazdu jest szczególnie istotny. W przypadku pojazdów z napędem hybrydowym istnieje możliwość rekuperacji energii podczas procesu hamowania, która w procesie realizacji cyklu jezdnego może być rozporządzalna. Analizie poddano przypadki procesu hamowania z założonej prędkości z różną intensywnością, a mianowicie momentem hamowania 25 i 5 [Nm]. Przedstawiony został wpływ intensywności hamowania na wybrane parametry pracy napędu hybrydowego, oraz zależności pomiędzy badanymi parametrami. The parametric analysis of the hybrid powertrain of Toyota Prius III in the process of braking Abstract Exploitation of automotive vehicles with hybrid drive calls for the analysis of the influence of full drive cycle for the energy consumption of the movement. The article reveals the methodology of the performed examination of selected parameters of the vehicle with hybrid powertrain Toyota Prius III generation. The examination was conducted at chassis dynamometer for two full drive cycles during which the parameters of the work of hybrid powertrain were recorded. Both cycles included the phase of the vehicle braking. This process, i.e. braking, being the part of the energetic balance of the vehicle is especially important. In the case of vehicles with hybrid powertrain there exists a possibility of energy recuperation during the process of braking, and this energy can be available during the cycle. Analysed cases included the process of braking from the assumed velocity with different intensity, i.e. 25 and 5 [Nm]. The influence of braking intensity on the selected parameters of the hybrid powertrain work were indicated as well as the interdependencies between them. BIBLIOGRAFIA 1. Siłka W. Mechanika, Energetyczne Aspekty Procesu Hamowania Samochodu Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej Shinichi A.i in.: A Development Toyota Hybrid System, Toyota Technical Review 1998, Vol. 47, No Szczepaniak C. Motoryzacja na przełomie epok, PWN Warszawa Siłka W. Teoria Ruch Samochodu, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa Merkisz J., Mazurek S., Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa Dzida J., The analysis of combustion engine and spring loaded accumulator s cooperation in hybrid drive system of vehicle. International Congress of Combustion Engines 27, Kraków Dzida J., Dzida J.M., Combustion engine start up testing with use of elastic elements, and concept of mechanical stop start system. International Congress on Combustion Engines 29, Opole Materiały firmowe Toyota. 597