Porównanie zużycia energii w pojeździe elektrycznym przy wykorzystaniu jedno- lub wieloprzełożeniowego układu przeniesienia napędu

Transkrypt

1 MEINICKE Tomasz 1 ADAMIECKI Maciej 2 BERNATT Jakub 3 Porównanie zużycia energii w pojeździe elektrycznym przy wykorzystaniu jedno- lub wieloprzełożeniowego układu przeniesienia napędu WSTĘP Ostatnie 20 lat rozwoju motoryzacji pozwala dostrzec rosnące zainteresowanie pojazdami wykorzystującymi do napędu silniki elektryczne czerpiące energię z baterii, najczęściej typu Li-Ion różnych odmian. Na dobre zadomowiły się już na rynku pojazdy hybrydowe z napędem w postaci układu złożonego z silnika spalinowego (podstawowego) i elektrycznego (pomocniczego). Klasycznymi przykładami tego typu rozwiązania są bardzo popularne obecnie modele np. Toyota Prius czy Honda Insight. Od kilku lat rozszerzana jest także oferta renomowanych producentów takich jak GM, Nissan, Renault czy BMW, w zakresie pojazdów korzystających wyłącznie z napędu elektrycznego tzw. FEV (Full Electric Vehicles) budowanych od podstaw jako pojazdy w pełni elektryczne np. (GM EV1, Nissan Leaf, Renault Zoe, BMW i3) [3] [4]. Do ich napędu stosowane są wysokoobrotowe, trójfazowe silniki synchroniczne z magnesami trwałymi o wysokim momencie obrotowym, zapewniające możliwość zastosowania dedykowanego specjalnie dla silnika elektrycznego układu przeniesienia napędu (zwykle na koła przednie), zredukowanego do przekładni o jednym przełożeniu zintegrowanej z mechanizmem różnicowym. Odrębną grupę pojazdów elektrycznych stanowią pojazdy budowane na bazie wersji spalinowych, wykorzystujące do przeniesienia napędu układ adaptowany z pojazdu oryginalnego (np. Karabag 500 E, Zilent Courant, Detroit Electric SP:01). Takie rozwiązanie daje możliwość zastosowania prostszego i tańszego silnika, o niższych prędkościach obrotowych, niższym momencie i mocy maksymalnej w stosunku do silników stosowanych w pojazdach budowanych od podstaw, jako pojazdy elektryczne z jednoprzełożeniową przekładnią sprzężoną z mechanizmem różnicowym. Zależnie od przyjętej strategii pojazdy te korzystają z wszystkich przełożeń skrzyni biegów (Zilent Courant, Detroit Electric SP:01) lub też mimo ograniczonego momentu i mocy maksymalnej silnika elektrycznego, wykorzystują układ jednoprzełożeniowy realizowany na przykład poprzez blokadę skrzyni biegów w wybranym położeniu może to być bieg trzeci, jak zrobiono w przywołanym wcześniej pojeździe Karabag 500 E [1], akceptując idące za tym ograniczenia np. ograniczona prędkość maksymalna. Na wybranym przykładzie pojazdu z grupy FEV, zbudowanym z wykorzystaniem pojazdu bazowego z silnikiem spalinowym, gdzie napęd na koła przenoszony jest za pośrednictwem tradycyjnej, mechanicznej przekładni pięciobiegowej, autorzy dokonali porównania zużycia energii potrzebnej na pokonanie ustalonych przejazdów testowych z wykorzystaniem wszystkich dostępnych przełożeń skrzyni biegów oraz z wykorzystaniem tylko jednego biegu (skrzynia zblokowana na biegu trzecim). 1 POJAZD TESTOWY I WYBRANA PROCEDURA PORÓWNAWCZA Do porównania zużycia energii wykorzystano pojazd przygotowany przez KOMEL, bazujący na spalinowej wersji popularnego modelu Fiat Panda z pięciobiegową, manualną skrzynią biegów. Ogólny widok pojazdu przedstawia fotografia 1. 1 Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o.o Bielsko-Biała ul. Sarni Stok 93 tel , tomasz.meinicke@bosmal.com.pl 2 Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o.o Bielsko-Biała ul. Sarni Stok 93 tel , maciej.adamiecki@bosmal.com.pl 3 Instytut Napędów Elektrycznych KOMEL, Katowice, al. Roździeńskiego 188, tel dyrekcja@.komel.katowice.pl 7233

2 Fot. 1. Widok ogólny pojazdu testowego W pojeździe tym w miejsce silnika spalinowego zastosowano silnik elektryczny trójfazowy PMSM pozostawiając jako elementy przeniesienia napędu seryjną skrzynię biegów ze sprzęgłem [5]. Podstawowe parametry pojazdu przedstawiono poniżej: pojazd kategorii M 1 masa własna 1180 kg moc maksymalna (*) 37 kw przy 4700 obr/min (47 kw przy 2700 ob./min) moment maksymalny (*) 168 Nm przy 1500 obr /min (171 Nm / 2200 obr/min) ogumienie R14 175/65, r d = 0,285 m współczynnik oporów powietrza C x = 0,32 powierzchnia czołowa 2,039 m 2. bateria zasilająca typu Li-Ion o pojemności 15 kwh / czas ładowania <6 h z gniazda AC 230 V lub < 2,5 h z gniazda 400 V. prędkość maksymalna (4) 145 km/h (160 km/h) Dane dotyczące przełożeń przedstawia tabela 1. Tab. 1. Zestawienie przełożeń skrzyni przekładniowej pojazdu testowego Przełożenie biegu Bieg 1 Bieg 2 Bieg 3 Bieg 4 Bieg 5 Bieg wsteczny 1:4,100 1:2,158 1:1,480 1:121 1:0897 1:3,818 Przełożenie całkowite Bieg 1 Bieg 2 Bieg 3 Bieg 4 Bieg 5 Bieg wsteczny 1:14,096 1:7,419 1:5,088 1:3,854 1:3,084 1:13,126 Na podstawie przeprowadzonej analizy zapotrzebowania na moment i siłę napędową na kołach (rysunek 1) z wykorzystaniem danych testowych pojazdu Karabag 500 E, zdecydowano się na przeprowadzenie porównania zużycia energii, korzystając z opisanego powyżej pojazdu Fiat Panda firmy KOMEL w dwóch konfiguracjach A i B: A) umożliwiającej jazdę z wykorzystaniem wszystkich przełożeń pięciobiegowej mechanicznej skrzyni przekładniowej. B) umożliwiającej jazdę wyłącznie z wykorzystaniem trzeciego przełożenia zamontowanej w pojeździe pięciobiegowej mechanicznej skrzyni przekładniowej. 4 dane z pomiarów przy włączonej funkcji odzysku energii, w nawiasach dane z pomiarów przy wyłączonej funkcji odzysku energii. 7234

3 Rys. 1. Wykres siły na kołach pojazdu testowego na poszczególnych biegach Konfiguracja A tj. z pięciobiegową skrzynią przekładniową jest standardową konfiguracją zastosowaną przez KOMEL zapewniającą dobre właściwości jezdne w zakresie pokonywania zwiększonych oporów ruchu i jednocześnie zadowalająco wysoką prędkość maksymalną 145 km/h. Dzięki koncepcji zatrzymywania silnika na postoju w pozycji zwolnionego pedału przyspieszenia, możliwe jest normalne użytkowanie pojazdu ze zblokowaną na stałe skrzynią biegów w położeniu trzeciego biegu konfiguracja B. Siła napędowa dostępna na tym przełożeniu jest w pełni wystarczająca do poruszania się w terenie płaskim i na niewielkich pochyleniach (do 13% bez pełnego obciążania pojazdu) występujących w typowym terenie miejskim. Korzystanie wyłącznie z trzeciego przełożenia o wartość całkowitej i c = 5,088 niesie oczywiście pewne ograniczenia związane z obniżeniem zdolności pokonywania zwiększonych oporów ruchu np. wzniesienia o nachyleniu powyżej 13% lub ograniczona do 118 km/h prędkość maksymalna (ograniczenie z uwagi na maksymalne obroty silnika = 5600 obr/min). Mimo opisanych ograniczeń właściwości jezdnych samochodu ze zblokowaną na biegu trzecim skrzynią przekładniową, możliwe jest przeprowadzenie pomiaru zużycia energii zarówno w teście wg. Regulaminu 101 aneks 7 (wyjątek - obniżona o 2 km/h maksymalna prędkość w teście złożonym z cykli miasto UDC x 4 + ekstra-miasto EUDC x1) jak i w teście jazdy w typowych warunkach jazdy miejskiej. Porównania zużycia energii w pojeździe w wybranych dwóch konfiguracjach dokonano realizując przejazd odcinka testowego zgodnie z regulaminem 101 aneks 7 (zastosowano uproszczoną metodę konfiguracji ustawień hamowni dla badanego pojazdu przyjęto parametry katalogowe jak dla pojazdu bazowego z silnikiem spalinowym z uwzględnieniem zwiększonej masy) oraz test drogowy jazdy miejskiej o długości 38,76 km (przebieg trasy zaprezentowano na rysunku 2). O takim wyborze zdecydowała powtarzalność warunków w przypadku pomiaru w teście wg. Regulaminu 101 aneks 7 oraz odniesienie do rzeczywistego zużycia energii przez pojazd w warunkach typowej jazdy miejskiej w przypadku jazdy wg. wyznaczonej trasy testowej. 7235

4 Rys. 2. Mapa trasy testowej do pomiaru zużycia energii w teście drogowym w rzeczywistych warunkach jazdy miejskiej 2 POMIARY ZUŻYCIA ENERGII Wszystkie zamieszczone poniżej wyniki pomiarów zużycia energii odnoszą się do pomiarów wykonywanych na pojeździe z włączoną funkcją odzysku energii. 7236

5 2.1 Pomiary na hamowni podwoziowej wg. procedury zawartej w Regulaminie 101 aneks 7. Pomiar zużycia energii przeprowadzono w Laboratorium Badań Emisji Spalin w Instytucie Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL wg. procedury opisanej w Regulaminie 101 aneks 7, w ramach dwukrotnego testu NEDC, złożonego z 4 cykli elementarnych = UDC i jednego EUDC. Łączny czas przejazdu 2360 s. Uzyskane wyniki zużycia energii: dla pojazdu w konfiguracji A 3,54 kwh (165 Wh/km), dla pojazdu w konfiguracji B 3,36 kwh (156 Wh/km). Poniżej, na rysunkach 3 do 6 przedstawiono przebiegi zmian prędkości obrotowej silnika (min -1 ), prędkości pojazdu [km/h] i poboru prądu z baterii [A] w funkcji czasu [s] dla pojedynczego testu UDC i EUDC dla pojazdu w konfiguracji A i B. Rysunki 7 i 8 przedstawiają przebiegi zmian chwilowej mocy pobieranej z baterii i prędkości pojazdu w funkcji czasu, kolejno dla pojazdu w konfiguracji A i B, w podwójnym teście NEDC złożonym z cyklu - UDC + EUDC. Rys. 3. Przebieg zmian poboru prądu z baterii, prędkości pojazdu i prędkości obrotowej silnika w funkcji czasu - pojazd w konfiguracji A, podczas 1 części (195 s) cyklu UDC 7237

6 Rys. 4. Przebieg zmian poboru prądu z baterii, prędkości pojazdu i prędkości obrotowej silnika w funkcji czasu - pojazd w konfiguracji B, podczas 1 części (195 s) cyklu UDC Rys. 5. Przebieg zmian poboru prądu z baterii, prędkości pojazdu i prędkości obrotowej silnika w funkcji czasu - pojazd w konfiguracji A, podczas cyklu EUDC 7238

7 Rys. 6. Przebieg zmian poboru prądu z baterii, prędkości pojazdu i prędkości obrotowej silnika w funkcji czasu - pojazd w konfiguracji B, podczas cyklu EUDC Rys. 7. Przebieg zmian chwilowej mocy pobieranej z baterii i prędkości pojazdu w funkcji czasu - pojazd w konfiguracji A, podczas dwóch testów NEDC - (UDC + EUDC) 7239

8 Rys. 8. Przebieg zmian chwilowej mocy pobieranej z baterii i prędkości pojazdu w funkcji czasu - pojazd w konfiguracji B, podczas dwóch testów NEDC - (UDC + EUDC) Rysunek 9 przedstawia zastosowany schemat pomiarowy dla rejestracji ww. wartości. Rys. 9. Schemat układu pomiarowego 2.2 Pomiar zużycia energii w teście drogowym w rzeczywistych warunkach jazdy miejskiej. Pomiar zużycia energii przeprowadzono po pokonaniu odcinka o długości 38,76 km zgodnie z procedurą opisaną w Regulaminie 101 aneks 7 tj. przez ładowanie baterii po zakończeniu testu i odczycie ilości pobranej przez pojazd energii potrzebnej do naładowania baterii do poziomu 100% w czasie 12 godzin. Z uwagi na krajowe przepisy ruchu drogowego, w teście korzystano ze świateł do jazdy dziennej ale nie korzystano z innych urządzeń pokładowych zasilanych energią z baterii pojazdu a obciążenie pojazdu wynosiło ok 150 kg (kierowca + pasażer). 7240

9 W czasie testów obu konfiguracji pojazdu panowały podobne warunki atmosferyczne bez opadów/ umiarkowanie słonecznie/temperatura otoczenia w granicach o C, nawierzchnia sucha. W teście z uwagi na zmienne warunki drogowe uzyskano różne czasy przejazdu i średnie prędkości przejazdu odpowiednio dla pojazdu w konfiguracji A - czas równy 4986 s a dla konfiguracji B - czas równy 4686 s. Zużycie energii w teście wyniosło odpowiednio w konfiguracji a) - 9,612 kwh (248 Wh/km), zaś w konfiguracji b) - 8,701 kwh (224 W/km). Przykładowe przebiegi zmian prędkości obrotowej silnika, prędkości pojazdu i poboru prądu w funkcji czasu zarejestrowane na odcinku pomiarowym, we fragmencie obrazującym rozpędzanie (rejestracja w łącznym czasie 64 s dla pojazdu w konfiguracji A i 44 s dla pojazdu testowego w konfiguracji B) przedstawiono na rysunku 10 i 11. Rys. 10. Przebieg zmian prędkości obrotowej silnika, prędkości pojazdu i poboru prądu z baterii w funkcji czasu pojazd w konfiguracji A fragment 64 s obrazujący rozpędzanie w czasie pomiaru zużycia energii w teście drogowym w rzeczywistych warunkach jazdy miejskiej Rys. 11. Przebieg zmian prędkości obrotowej silnika, prędkości pojazdu i poboru prądu z baterii w funkcji czasu pojazd w konfiguracji B fragment 44 s obrazujący rozpędzanie w czasie pomiaru zużycia energii w teście drogowym w rzeczywistych warunkach jazdy miejskiej 7241

10 Do pomiaru zużycia energii wykorzystano Watomierz ORNO OR-WAT-408 (błąd pomiarowy 2%). WNIOSKI Rezultaty pomiarów przywołane w punkcie 2 niniejszego artykułu wskazują, że zastosowanie wieloprzełożeniowego układu przeniesienia napędu w pojeździe elektrycznym nie zapewnia ograniczenia zużycia energii. Nieznaczne różnice w sprawności silnika PMSM w różnych obszarach jego pracy, możliwe do wykorzystania przez pojazd wyposażony w wieloprzełożeniowy układ przeniesienia napędu (mapę sprawności silnika pojazdu testowego przedstawia rysunek 12), nie są wystarczające dla skompensowania strat związanych między innymi ze zmianą przełożeń (w pojeździe testowym były to np. straty związane z rozłączaniem i załączaniem sprzęgła). Rys. 12. Mapa sprawności silnika elektrycznego pojazdu testowego w funkcji momentu obrotowego i prędkości obrotowej W rzeczywistym ruchu miejskim, pojazd w konfiguracji A również nie zdołał osiągnąć niższego zużycia energii, jednak w tym przypadku na ostateczny wynik miał wpływ dłuższy czas jazdy testowej spowodowany odmiennymi warunkami (natężeniem) ruchu. Należy jednak zaznaczyć, iż pojazd w konfiguracji B nie zapewniał zadawalających właściwości w zakresie maksymalnej prędkości a szczególnie w zakresie zdolności do pokonywaniu zwiększonych oporów ruchu np. wysoki krawężnik o wysokości 14 cm lub ruszanie pod wzniesienie o nachyleniu 26%. Ww. zwiększone opory ruchu wymagały zastosowania pierwszego lub drugiego biegu. Trzeci bieg nie zapewnił wystarczającej siły na kołach. Z powyższych względów, w przypadku stosowania średniobrotowego silnika elektrycznego o ograniczonym momencie obrotowym (ok Nm), w pełni uzasadnione jest, zastosowanie w układzie przeniesienia napędu układu wieloprzekładniowego, jednak zastosowanie dwóch względnie trzech przełożeń wydaje się być w wystarczające, co potwierdzają liczne opracowania w tym zakresie [6]. Zastosowanie tego typu rozwiązania zapewni odpowiednie własności trakcyjne pojazdu porównywalne, lub nawet lepsze od 7242

11 tych jakie prezentują obecnie pojazdy z napędem spalinowym korzystające z przekładni o pięciu, sześciu lub więcej przełożeniach. Streszczenie Zwiększająca się popularność pojazdów elektrycznych oraz współistnienie na rynku różnych rozwiązań seryjnych oferowanych przez dużych producentów jak też małoseryjnych oferowanych przez mniejszych wytwórców, skłania do analizy zalet i wad oferowanych rozwiązań. Niniejszy artykuł przedstawia wyniki badań porównawczych w zakresie zużycia energii, dotyczących pojazdów w pełni elektrycznych (FEV) z jedno lub wieloprzełożeniowym układem przeniesienia napędu. Porównania dokonano w oparciu o wyniki pomiarów zużycia energii wybranego pojazdu testowego w konfiguracji napędu z mechaniczną, pięciobiegową skrzynią przekładniową oraz w konfiguracji ze skrzynią zblokowaną na biegu trzecim tj. w konfiguracji odpowiadającej pojazdowi z jednoprzełożeniowym układem przeniesienia napędu. Comparison of energy consumption in electric vehicle equipped with single- or multi-speed system of power transmission Abstract Still growing popularity of electric vehicles and various mass-production solutions offered by big OEMs, coexisting in the market with small-series production solutions offered by a smaller manufacturers, encourage to analysis of an advantages and disadvantages of offered solutions. The paper presents results of comparative tests in range of energy consumption, concerning Full Electric Vehicles (FEV) with single- and multi-speed system of power transmission. The comparison was performed on the base of energy consumption measurements of a selected research vehicle in powertrain configurations with mechanical five-speed gearbox and in configuration with the gearbox blocked in the 3 rd gear, i.e. in the configuration corresponding to a vehicle with single-speed system of the power transmission. BIBLIOGRAFIA 1. ADAC Karabag 500 E Testergebnis, 10/ Arczyński St., Mechanika ruchu samochodu. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa Micnass W., Popiol R., Sprzęgła, skrzynki biegów, wały i półosie napędowe. WKiŁ Warszawa Moćko W., Ornowski M., Szymańska M., Badanie zużycia energii przez samochód elektryczny w czasie testów drogowych, Zeszyty Problemowe 2/ Radwański W., Bętkowski B., Białas A., Rossa R., Koncepcja napędu elektrycznego E-KIT dla miejskich samochodów osobowych, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/ Viotto F., A novel seamless 2-speed Transmission system for electric Vehicles: Principles and simulation results, Electronic systems for vehicle propulsion symposium, Troy (Detroit) 8-9 November