HAMOWANIE REKUPERACYJNE W MIEJSKIM POJEŹDZIE HYBRYDOWYM Z NAPĘDEM NA KOŁA TYLNE

Transkrypt

1 ELEKTRYKA 213 Zesyt 1 (225) Rok LIX Marcin FICE Politechnika Śląska w Gliwicach HAMOWANIE REKUPERACYJNE W MIEJSKIM POJEŹDZIE HYBRYDOWYM Z NAPĘDEM NA KOŁA TYLNE Strescenie. W artykule predstawiono wyniki modelowania rodiału sił hamowania na osie pojadu i jego wpływ na efektywność hamowania rekuperacyjnego. Zapreentowano pryjęty model kinematycny ora ałożenia uprascające pryjęte w modelowaniu równań ruchu opisujących proces hamowania. Zapreentowano wyniki modelowania procesu hamowania pojadu e miennym obciążeniem. Wynacono siły hamowania kół osi predniej i tylnej ora współcynnik stopnia skutecności hamowania. Na podstawie preprowadonych anali aproponowano metodę rodiału momentów hamowania na oś prednią i tylną. Metoda ta apewnia osiągnięcie najwięksej efektywności rekuperacji energii. Słowa klucowe: napęd hybrydowy, hamowanie, rekuperacja THE RECUPERATIVE BRAKING IN URBAN HYBRID VEHICLE WITH A REAR WHEELS DRIVE Summary. In this article the results of brake forces distribution modeling is presented and its impact on the efficiency of recuperative braking. Kinematic model of the vehicle and the simplifying assumptions adopted in the modeling equations of motion describing the braking process are presented. Results of modeling of the baking process with variable vehicle load are presented. Braking forces of front and rear wheels and braking efficiency ratio are determined. On the basis of the analysis method of braking torque distribution between front and rear axle was proposed. This method ensures to achieve the greatest efficiency of recuperation. Keywords: hybrid drive, braking, recuperation 1. WSTĘP Dla pojadów hybrydowych ilość energii elektrycnej odyskanej podcas hamowania wpływa asadnico na całkowitą sprawność pretwarania energii w napędie. W badaniach ogranicono się do ropatrenia prypadku hamowania pojadu jednocłonowego, dwuosiowego napędem na koła tylne (dane modelu pryjęto na podstawie autobusu Jelc PR-11) [1].

2 74 M. Fice Podcas hamowania wytwarane ostaje ciśnienie w układie hamulcowym mechanicnym/pneumatycnym osi predniej nienapędanej ora pobierany potencjometru hamowania sygnał steruje prekstałtnikiem energoelektronicnym w obsare pracy prądnicowej masyny elektrycnej połąconej mechanicnie tylną osią napędową. Algorytm obsługujący proces hamowania sterownika steruje rodiałem siły hamowania na oś prednią i tylną. Skutkiem powstania sił hamowania jest miana obciążeń pionowych osi pojadu ależnych od środka ciężkości pojadu, stopnia aładowania, wysokości środka masy pojadu ora wskaźnika wyhamowania. Wartości momentów hamujących rowijanych pre silnik elektrycny są ogranicone warunkami współpracy koło-nawierchnia. Koniecna stała się więc analia międyosiowego rodiału sił hamowania pojadu i ostała ona preprowadona pry ałożeniu ruchu na drode prostoliniowej i dla kąta wniesienia α w = %. Podcas analiy procesu hamowania pryjęto dwa warianty obciążenia: wariant 1 pojad aładowany w 1% (masa pojadu m 1 = 183 kg, oś prednia m 1p = 379 kg, oś tylna m 1t = 74 kg), wariant 2 pojad pełny (masa pojadu m 2 = 17 kg, oś prednia m 2p = 64 kg, oś tylna m 2t = 16 kg). 2. MODEL POJAZDU PODCZAS PROCESU HAMOWANIA W ropatrywanej klasie pojadów podcas intensywnego hamowania istnieje niebepieceństwo ablokowania i pośligu kół. W modelu pojadu hybrydowego ałożono, że nie dopusca się do sytuacji utraty statecności (ablokowania kół) podcas hamowania, gdyż uniemożliwia to odysk energii rekuperacji. W modelu pojadu ałożono, że dla osi predniej hamowanie jest realiowane na drode mechanicnej, a dla osi napędowej w sposób elektrycny i mechanicny. Równania modelu pojadu podcas hamowania na drode płaskiej i ruchu prostoliniowym ostały sformułowane pry następujących ałożeniach: istnieje symetria sił hamowania na kołach predniej i tylnej osi, bryła pojadu jest nieodkstałcalna, a ruchy układów wewnątr kadłuba nie wywierają istotnego wpływu na jej położenie, nie ropatruje się wpływu reakcji układu awiesenia, pomija się sprężystość opon w kierunku diałania sił normalnych, środek ciężkości jest symetrycny wględem prawych i lewych kół, pomija się nierówności drogi, promienie dynamicny i kinematycny koła są jednakowe.

3 Hamowanie rekuperacyjne w miejskim 75 Na podstawie pryjętego schematu modelu pojadu podcas hamowania (rys. 1) wynacono współcynniki obciążeń osi pojadu ε podcas hamowania e miennym wskaźnikiem wyhamowania [2]. (1) (2) (3) (4) gdie: G ciężar pojadu, statycna siła nacisku na oś prednią, statycna siła nacisku na oś tylną, δ współcynnik bewładności mas wirujących, r k promień koła, h wysokość środka ciężkości pojadu, l rostaw osi pojadu. SM poj M hkt SM kt Z t X t wkt G M hkp SM kp Z p X p wkp h F t F p F xt F xp e t e p l t l l p Rys. 1. Model kinematycny pojadu hybrydowego Fig. 1. A kinematic model of the hybrid vehicle Graficne postacie mian wartości współcynników obciążeń ε osi pojadu pokaano na rysunku 2. Wartości współcynników obciążenia osi podcas hamowania pojadu ależą od wskaźnika wyhamowania ora romiescenia środka masy pojadu. Najwięksy akres mian wartości współcynnika obciążeń osi pojadu aobserwowano w prypadku wariantu obciążenia nr 2.

4 76 M. Fice RM h Rys. 2. Współcynniki obciążeń osi pojadu podcas hamowania dla dwóch wariantów obciążenia Fig. 2. The coefficients of the axis load of the vehicle during braking for two variants of the load W prypadku gdyby algorytm sterowania pracą układu napędowego pojadu podcas hamowania realiował stały rodiał momentów hamujących na osiach predniej i tylnej w proporcji,5/,5, to pełne wykorystanie prycepności kół obu osi do nawierchni występowałoby jedynie w prypadku jednej wartości wskaźnika wyhamowania =,37 dla drugiego prypadku obciążenia pojadu. Dla wsystkich współcynników obciążeń osi pojadu (rys. 2) spełniających nierówność następuje najpierw blokowanie kół osi tylnej. W prypadku pojadu nieobciążonego następuje blokowanie osi tylnej w pełnym akresie mienności wskaźnika wyhamowania. Dla współcynników obciążeń spełniających nierówność następuje najpierw blokowanie kół osi predniej. Taki prypadek achodi tylko wtedy, gdy pojad porusa się pełnym obciążeniem. 3. ROZDZIAŁ MOMENTÓW HAMOWANIA Pożądane, e wględu na skutecność hamowania ora apewnienia wysokiego stopnia wykorystania energii hamowania, jest takie hamowanie pojadu, aby w pełnym akresie mienności współcynników prycepności koło-nawierchnia hamować granicnym dla tego akresu wskaźnikiem wyhamowania. Stopień skutecności hamowania WSH definiowano jako stosunek maksymalnej wartości wskaźnika wyhamowania max w określonych warunkach współcynnika prycepności podłoża µ do wartości granicnej wskaźnika wyhamowania gran. (5)

5 Hamowanie rekuperacyjne w miejskim 77 Maksymalna wartość wskaźnika wyhamowania jest to taka wartość, pry której koła danej osi nie są jesce blokowane i mogą prenosić siły bocnego nosenia. Granicna wartość wskaźnika wyhamowania jest to najwięksa możliwa technicnie do uyskania intensywność hamowania, pry której koła obu osi pracują na granicy prycepności [3]. Maksymalna wartość wskaźnika wyhamowania nie może być więksa od granicnej wartości wskaźnika wyhamowania. (6) We wstępnych obliceniach pryjęto liniowy prebieg momentów hamujących kół osi predniej i tylnej. W obu wariantach obciążenia pojadu pryjęto stały rodiał momentów hamowania na koła osi predniej i tylnej w stosunku ξ h = const = 1. Wyniki obliceń współcynnika prycepności μ osi predniej i tylnej dla obu wariantów obciążenia pokaano na rysunku 3. Dodatkowo oblicono i umiescono na rysunkach granicne wartości wskaźników wyhamowania gran. Na rysunku 4 pokaano wyniki obliceń stopnia skutecności hamowania pojadu WSH(µ) odpowiednio dla wariantu obciążenia nr 1 ora 2. Dla wariantu obciążenia nr 1 współcynnik prycepności osi predniej nienapędanej µ p jest więksy od współcynnika prycepności osi tylnej napędowej µ t w całym akresie wskaźnika wyhamowania. Onaca to, że podcas hamowania na nawierchni o jednolitym współcynniku prycepności koła prednie ostaną ablokowane wceśniej niż tylne. W prypadku wariantu obciążenia nr 1 w adanym akresie wskaźnika wyhamowania nigdy nie ostanie osiągnięta wartość granicna stopnia skutecności hamowania. Dla wariantu obciążenia nr 2 wskaźnik skutecności hamowania WSH(µ) pryjmuje wartość równą granicnemu stopniu skutecności hamowania tylko dla jednej wartości współcynnika prycepności (rys. 6). Dla tej wartości współcynnika prycepności i odpowiadającej mu wartości wskaźnika wyhamowania może nastąpić jednocesne ablokowanie kół obu osi. 1p.4 2p.4 1t 2t gran1.2 gran Rys. 3. Wykresy współcynników prycepności osi predniej i tylnej pojadu podcas hamowania w wariancie obciążenia nr 1 (po lewej) i 2 (po prawej) Fig. 3. Diagrams of adhesion coefficients of front and rear wheels during braking with vehicle loads in the variant 1 (left) and 2 (right)

6 78 M. Fice WSH 1 ( ).4.6 WSH 2 ( ) Rys. 4. Wykresy wskaźników skutecności hamowania pojadu w wariancie obciążenia nr 1 (po lewej) i 2 (po prawej) Fig. 4. Diagrams of braking effectiveness ratios with vehicle loads in the variant 1 (left) and 2 (right) 4. ALGORYTM ROZDZIAŁU MOMENTÓW HAMOWANIA SPEŁNIAJĄCY KRYTERIUM NAJWIĘKSZEJ EFEKTYWNOŚCI REKUPERACJI ENERGII Warunkiem achowania statecności pojadu podcas hamowania jest: (7) cyli niedopuscenie do wceśniejsego ablokowania kół tylnych wględem prednich. Optymalny rodiał momentów hamowania wystąpi wówcas, gdy współcynniki prycepności dla wsystkich osi pojadu są sobie równe i podcas hamowania osiągają wartość prycepności prylgowej 1. Prypadek ten jest stanem granicnym achowania statecności ruchu pojadu i jest w pewnym stopniu obecnie realiowany w autobusach pre urądenia apobiegające blokowaniu kół pojadu, tw. ABS. (8) Na podstawie preprowadonych obliceń i symulacji dynamiki procesu hamowania opracowano algorytm najwięksej efektywności procesu hamowania odyskowego, spełniającego kryterium najwyżsej efektywności hamowania rekuperacyjnego. (9) Wskaźnik rodiału momentów hamowania pomiędy osie pojadu h_id, który umożliwi pełne wykorystanie siły hamowania i rekuperacji energii pry apewnieniu statecności pojadu: (1)

7 Hamowanie rekuperacyjne w miejskim 79 Opracowany algorytm najwięksej efektywności hamowania rekuperacyjnego opisuje najwięksą możliwą moc hamowania odyskowego taką, aby apewnić statecność pojadu. (11) Oblicone miany wskaźnika h_id w ależności od stopnia wyhamowania pojadu dla obu ropatrywanych wariantów predstawiono na rysunku h1_id h2_id Rys. 5. Zmiany wskaźnika rodiału momentów hamowania dla obu ropatrywanych wariantów obciążenia osi pojadu Fig. 5. Changes of the braking torque distribution ratio for both considered variants of wheels load Na podstawie aproponowanego wskaźnika rodiału momentów hamowania wynacono siły hamowania osi predniej i tylnej. Jednostkowe siły hamowania realiowane dla opracowanego algorytmu najwięksej efektywności hamowania odyskowego pokaano na rysunkach 6 i 7. F h1_id G 1.8 F.6 h1p_id G 1 F h1t_id.4 F h2_id G 2 F.6 h2p_id G 2 F h2t_id.8.4 G 1.2 G Rys. 6. Jednostkowe siły hamowania kół osi predniej i tylnej obciążeniem w wariancie nr 1 (po lewej) i 2 (po prawej) Fig. 6. Relative braking forces on front and rear wheels with load in variant 1 (left) and 2 (right)

8 8 M. Fice.5 F h1t_id.4 G 1.3 F h2t_id.2 G F h1p_id F h2p_id G 1 G 2 Rys. 7. Porównanie jednostkowych sił hamowania wariantu pierwsego i drugiego Fig. 7. Comparison of relative braking forces between the first and second variant of the vehicle load 5. MOC I ENERGIA HAMOWANIA ODZYSKOWEGO W ropatrywanym układie napędowym oś napędana połącona jest masyną elektrycną, która umożliwia pracę hamulcową jednocesnym odyskiem energii elektrycnej. Założono, że podcas hamowania odyskowego silnik spalinowy jest odłącony od układu napędowego i nie wprowada dodatkowych oporów. Zatem moc hamowania: (12) gdie: f t współcynnik oporów tocenia, v prędkość pojadu, S powierchnia cołowa pojadu, c x współcynnik oporów powietra. Na rysunku 8 pokaano prebiegi mian wartości mocy hamowania osi napędowej dla drugiego wariantu obciążenia osi ropatrywanego pojadu dla dwóch metod rodiału sił hamowania: stały rodiał sił hamowania ora rodiał według opracowanego kryterium najwięksej energii hamowania odyskowego. Oblicona wartość energii hamowania osi napędowej pojadu podcas hamowania od prędkości v = 6 km/h do atrymania pojadu e stałym opóźnieniem dv/dt = -1 m/s 2 : dla stałego rodiału momentów hamowania ξ h =1 wynosi E ht = 112 kj, dla rodiału momentów hamowania spełniających kryterium najwięksej efektywności hamowania odyskowego h_id wynosi E ht = 132 kj. Na rysunku 9 pokaano wykresy mocy hamowania w ależności od pocątkowej wartości prędkości hamowania i wartości opóźnienia odpowiednio dla stałego rodiału sił hamowania ξ h = 1 i rodiału według kryterium najwięksej efektywności hamowania odyskowego h_id.

9 v km /[ h ] P h [ dv W / m dt ][/ 2 s ] dv / m dt [/ 2 s ] v k/ m [ h ] P h [ W ] v km / h [] P h [ dv W / m dt ][/ 2 s ] dv / [m dt / 2 s ] v km /[ h ] P h [ W ] Hamowanie rekuperacyjne w miejskim P h2t_id ( t) P h2t_.5 ( t) t Rys. 8. Prebieg mian wartości mocy hamowania osi tylnej dla drugiego wariantu obciążenia pojadu: kryterium najwięksej efektywności hamowania odyskowego: P h2t_id (t), stały rodiał momentów hamowania ( h = 1): P h2t_.5 (t) Fig. 8. Diagram of drive wheels braking power for the second variant of the vehicle load: a criterion of maximum efficiency regenerative braking: P h2t_id (t); a constant brake torque distribution ( h = 1): P h2t_.5 (t) P W P W dv/dt m/s 2 v km/h dv/dt m/s 2 v km/h Rys. 9. Zmiany mocy hamowania osi tylnej P ht w ależności od wartości prędkości pojadu i opóźnienia dla ξ h = 1 (po lewej) i h_id (po prawej) Fig. 9. Diagrams of the braking power changes in function of vehicle speed and deceleration for ξ h = 1 (left) i h_id (right) Do celów porównawcych wprowadono pojęcie wskaźnika rekuperacji energii: gdie: E ht energia hamowania odyskowego osi napędowej, E k energia kinetycna pojadu. W tabeli 1 predstawiono podstawowe parametry energetycne charakteryujące proces hamowania modelowanego autobusu. Porównano średnie moce hamowania obu osi pojadu (13) P_id P_id

10 82 M. Fice do średnich mocy hamowania osi napędowych dla dwóch modeli rodiału momentów hamowania ora całkowite moce hamowania obu osi i energii rekuperacji. Tabela 1 Wartości podstawowych wielkości podcas procesu hamowania dla pryjętych modeli rodiału momentów hamowania Wielkość / jednostka (wariant obciążenia nr 2, prędkość pocątkowa hamowani v p = 6 km/h, prędkość końcowa hamowania v k = km/h, opóźnienie stałe a h = -1 m/s 2 ) Model rodiału momentów hamowania Rodiał momentów stały Rodiał momentów wg opracowanego algorytmu Średnia moc hamowania P h kw Średnia moc rekuperacji P ht kw Energia wydatkowana na wyhamowanie pojadu E h kj Energia rekuperacji E ht kj Wskaźnik rekuperacji energii,426,53 6. PODSUMOWANIE Preprowadona analia energetycna procesu hamowania potwierdiła, że na ilość energii rekuperacji wpływ ma rodiał momentów hamowania pomiędy osie. Zdaniem autorów brak jest w literature informacji, dotycących analiy procesu hamowania, uwględnieniem wpływu rodiału siły hamowania na efektywność rekuperacji energii dla pojadów napędem hybrydowym [4, 5, 6]. Opracowany model kinematycny autobusu dla dwóch wariantów obciążenia osi pojadu powolił na wprowadenie współcynnika rodiału momentów hamujących spełniającego kryterium najwięksej efektywności hamowania rekuperacyjnego uwględnieniem warunku statecności pojadu. Preprowadone oblicenia dla dwóch współcynników rodiału momentów hamujących, dla stałego rodiału ora spełniającego kryterium najwięksej efektywności hamowania, wykaały więksenie efektywności rekuperacji energii elektrycnej podcas hamowania wykorystaniem opracowanego algorytmu dla pojadu napędem na oś tylną.

11 Hamowanie rekuperacyjne w miejskim 83 BIBLIOGRAFIA 1. Piegot J., Sikorska G. H., Sobatowski J. G.: Katalog wyrobów premysłu motoryacyjnego POLMO środki transportu samochodowego. Katalog SWW 123, Wydawnictwo Premysłu Masynowego Wema, Warsawa Mitshke M.: Dynamika samochodu. Napęd i hamowanie, Tom 1. WKŁ, Warsawa Lanendoerfer J., Scepaniak C.: Teoria ruchu samochodu. WKiŁ, Warsawa Sumanowski A.: Hybrid electric vehicle drives design. Edition based on urban buses. Wydawnictwo ITE, Warsawa-Radom Dixon J. W., Ortúar M., Wiechmann E.: Regenerative braking for an electric vehicle using ultracapacitors and a Buck-Boost converter. The 17 th Electric Vehicle Symposium, Montreal Hofman T.: Framework for combined control and design optimiation of hybrid vehicle propulsion systems. Ph.D. dissertation, Eindhoven University of Technology, Eindhoven 27. Dr inż. Marcin FICE Politechnika Śląska Wydiał Elektrycny Instytut Elektrotechniki i Informatyki ul. Akademicka Gliwice Marcin.Fice@polsl.pl