DOBÓR PARAMETRÓW EKSPLOATACYJNYCH POJAZDU Z NAPĘDEM ELEKTRYCZNYM CHOICE OF OPERATIONAL PARAMETERS OF ELECTRIC-DRIVE CARS

Transkrypt

1 Ryszard MICHALSKI Michał JANULIN DOBÓR PARAMETRÓW EKSPLOATACYJNYCH POJAZDU Z NAPĘDEM ELEKTRYCZNYM CHOICE OF OPERATIONAL PARAMETERS OF ELECTRIC-DRIVE CARS Oracoway w artykule model obliczeiowy doboru arametrów eksloatacyjych ojazdu samochodowego z aędem elektryczym ozwala a wyzaczeie jego zasięgu w zależości od: rędkości jazdy, gabarytów ojazdu, jedostkowego zużycia eergii [kj/kg], jedostkowych oorów ruchu, wsółczyika obciążeia ojazdu f, srawości układu aędowego, realej eergii jedostkowej akumulatorów [kj/kg]. Na odstawie rzerowadzoych badań eksloatacyjych wyzaczoo wsółczyik β=0,24, który dla rzyjętych ozostałych arametrów umożliwia wyzaczeie realego zasięgu. Słowa kluczowe: elektryczy ojazd miejski, zasięg eksloatacyjy, silik elektryczy. Thaks to the comutatioal model of the choice of arameters for a electric drive car i this article it is ossible to determie its rage deedig o: drivig seed, car size, uit eergy cosumtio [kj/kg], uit resistace to motio, car load coeffi ciet f, effi ciecy of the ower trasmissio system, real uit eergy of batteries [kj/kg]. The oeratioal exerimets yielded the coeffi ciet value of β=0.24, which for the other adoted arameters makes it ossible to determie the real rage. Keywords: electric urba vehicle, oeratioal rage, electric egie. 1. Wrowadzeie W związku z otrzebą ograiczeia zużycia ieodawialej eergii i zagrożeń ekologiczych sowodowaych masowym trasortem samochodowym itesyfikowae są race w zakresie rojektowaia owych układów aędowych ojazdów samochodowych w tym układów elektryczych i hybrydowych. W racy rzedstawioo rojekt fukcjoaly i obliczeiowy ojazdu z aędem elektryczym o rzezaczeiu do trasortu a obszarze średiej wielkości miasta do 200 tysięcy mieszkańców o zasięgu 50 km rzebiegu dzieego. Podstawowy układ aędowy miejskiego ojazdu elektryczego (MPEV) składa się ze źródła eergii elektryczej, silika elektryczego, rzekładi mechaiczej i eumatyczych kół jezdych. Samochody o aędzie elektryczym rojektowao od koiec XIX wieku i kokurowały oe z ówczesymi ojazdami o aędzie arowym i saliowym [4]. Wystęujący regres w rozwoju tych ojazdów był sowodoway m.i.: - iższymi kosztami rodukcji eergii ozyskiwaej z aliw łyych w stosuku do eergii elektryczej; - miejszą masą ojazdu z aędem saliowym w orówaiu z elektryczym (masą akumulatorów); - ograiczoym zasięgiem rzebiegu i maksymalej rędkości jazdy ojazdu elektryczego. Obecie cey aliw łyych rosą szybciej od eergii elektryczej i dostęość tej eergii jest zaczie większa od eergii ieodawialej ze względu a wykorzystaie różych źródeł. Obecy sta mechatroiki zastosoway w budowie i eksloatacji ojazdów o aędzie elektryczym ozwala a orówaie takich arametrów jak zasięg, rzysieszeie, zdolość okoywaia wziesień, rędkość maksymala, zużycie eergii, koszty eksloatacji, iezawodość i trwałość w odiesieiu do ojazdów z aędem saliowym. 1.Itroductio As the eed to cut dow o the cosumtio of reewable eergy becomes more ad more urget ad it is becomig icreasigly ecessary to revet evirometal damage caused by commo use of vehicles for trasort, work is beig steed u aimed at desigig ew drive systems for cars, icludig electric-drives ad hybrid-drive cars. This aer resets the fuctioal ad comutatioal desig of a electric-drive car iteded for use i trasort i a medium-sized tow of u to 200 thousad ihabitats, with a mileage of 50 km a day. The basic drive system of a urba electric drive vehicle cosists of a source of electric ower, a electric egie, mechaical gear ad eumatic wheels. Electric drive cars were desiged at the ed of the 19 th cetury ad at that time they cometed with steam egie ad combustio egie vehicles [4]. The factors which slowed dow the develomet rogress of such cars icluded: - lower cost of roductio of eergy from liquid fuels as comared to electric ower; - lower weight of a combustio egie car as comared to a electric drive (batteries); - limited rage ad maximum seed of electric drive cars. Curretly, the rices of liquid fuels are icreasig faster tha those of electric ower ad their availability is much greater due to the use of various sources. The curret coditio of mechatroics alied i the costructio of electric drives allows for comarig such arameters as rage, acceleratio, ability to drive u hills, maximum seed, oeratioal costs, reliability ad durability as comared to combustio egies. 69

2 NAUKA I TECHNIKA 2. Określeie arametrów eksloatacyjych Podstawowymi arametrami eksloatacyjymi ojazdu z aędem elektryczym są: zasięg rzebiegu w cyklu jazdy miejskiej, rędkość maksymala, rzyśieszeie, zdolość okoywaia wziesień, zużycie eergii a jedostkę rzebiegu, odzyskiwaie eergii odczas hamowaia (rekueracja), koszty eksloatacji, iezawodość i trwałość układu aędu elektryczego. Jak odao w kt.1 odstawowym arametrem eksloatacyjym ojazdu elektryczego jest zasięg rzebiegu (w km) defiioway drogą rzebytą rzez ojazd wykorzystując eergię jedorazowo zmagazyowaą w akumulatorach bez doładowaia. Wyróżia się tu zasięg (Z) osiągięty rzez ojazd w rzyadku jazdy: - ze stałą rędkością V=cost, jazda ustaloa a oziomej drodze bez rzysieszeń; - ze zmieą rędkością V(t) oruszający się według owtarzalego cyklu jazdy obejmującego astęujące fazy: rzysieszaie, jazda ustaloa, wybieg, hamowaie, ostój. Zasięg w rzyadku V=cost moża oisać zależością: Z=3,6 V t [km] (1) gdzie: V - rędkość ojazdu [m/s]; t - realy czas okoaia oisaego zasięgu i jedocześie czas wyładowaia (t b ) baterii akumulatorów wyrażoy w godziach [h]. Realy czas t b odróżia się od zamioowego czasu wyładowaia akumulatorów t =1 h. Czas t b zależy od stau eergetyczego akumulatorów E. Jedostkowe zużycie eergii rzez ojazd elektryczy E może być wyrażoe w kj a km [kj/km] lub kj a km i kg masy ojazdu [kj/km kg]. Wówczas t b zależy od stau eergetyczego (E) akumulatorów i obieraej mocy (N) do aędu kół jezdych [2]: E tb = [h] (2) 36, N gdzie: N - moc jedostkowa wyładowaia akumulatora w odiesieiu do masy ojazdu [W/kg]; E jedostkowe zużycie eergii [kj/kg]. Na odstawie zależości Peuckerta moża określić arametry zasobika eergii (akumulatora) [2]: I = I (2a) gdzie:, reala i zamioowa (1-godzia) ojemość akumulatorów [Ah]; I,I realy i zamioowy (1-godziy) rąd wyładowaia akumulatora [A]; β - wsółczyik Peuckerta. Zatem: N E = E N (3) Po uwzględieiu zależości (1) i (2) zasięg ojazdu moża wyzaczyć z zależości: E Z = 36, 36, N 1+b (4) 2. Determiatio of oeratioal arameters The basic oeratioal arameters of a electric drive car iclude: the drivig rage of a urba drive cycle, maximum seed, acceleratio, ability to drive u hills, cosumtio of eergy er distace uit, eergy recueratio whe brakig, oeratioal costs, reliability ad durability of a electric drive system. As show i item 1, rage (i km) is the basic oeratioal arameter of a electric drive car, defied as the distace covered by a car which uses the eergy stored i batteries, without rechargig. This ca be divided ito the rage (Z) achieved by a car i drivig: - with a costat seed V=cost, i steady drivig o a horizotal road, without acceleratio; - with variable seed V(t), whe a car drives i a reeatable cycle, icludig the followig hases: acceleratio, costat drivig, iert movemet, brakig, stoig. If V=cost, the rage ca be described by a relatioshi: Z=3,6 V t [km] (1) where: V vehicle seed [m/s]; t real time of coverig the distace ad the time (t b ) of dischargig batteries, exressed i hours [h]. The actual time t b is differet tha the ratig time of battery discharge t =1 h. The time t b deeds o the eergy state of the batteries E. The uit cosumtio of eergy E by a electric drive car may be exressed i [kj/km] or [kj/km kg]. The t b deeds o the eergy state (E) of batteries ad the ower (N) cosumed to drive the road wheels [2]: E tb = [h] (2) 36, N where: N uit ower of a battery discharge as related to the vehicle weight [W/kg]; E uit cosumtio of eergy [kj/ kg]. Based o Peuckert s relatioshi, the arameters of the eergy storage reservoir (battery) ca be determied [2]: I = I (2a) where:, actual ad rated (1-hour) caacity of batteries [Ah]; I,I actual ad rated (1-hour) battery discharge curret [A]; β - Peuckert s coefficiet. Therefore: N E = E N (3) After takig ito accout the relatioshis (1) ad (2), oe ca calculate the rage of a vehicle from the followig relatioshi: E Z = 36, 36, N 1+b (4) 70 EKSPLOATACJA I NIEZAWODNOŚĆ NR 3/2008

3 SCIENCE AND TECHNOLOGY Zakładając, że E i N są arametrami określoymi a kołach aędowych, wartość tej eergii i mocy obliczyć z zależości : E = E f h (5) 1 gdzie: E 1 reala eergia jedostkowa akumulatora, która dla akumulatorów trakcyjych wyosi kj/kg rzy trwałości ok cykli ładowaia i srawości η a =0,8-0,9; f=m a /m - wsółczyik obciążeia ojazdu masą akumulatorów; η srawość układu aędowego. Assumig that E ad N are arameters determied o the drivig wheels, the value of the eergy ad ower ca be calculated from the followig relatioshi: E = E f h (5) 1 where: E 1 the actual uit eergy of a battery, which for a tractio battery rages from 100 to 200 whe the durability rages from about 1500 to about 3000 charge-discharge cycles ad the efficiecy η a =0,8-0,9; f=m a /m - the coefficiet describig the vehicle load with the battery weight; η efficiecy of the ower trasmissio system. Oraz: N=V F (6) Ad: N=V F (6) gdzie: F siła aędowa a kołach F Oi ; O i oory i= 1 ruchu ojazdu. W tym rzyadku o odstawieiu do wzoru (4) zależości (5) i (6) moża wyrazić zasięg Z jako: where: F drivig force o wheels F Oi resistace i= 1 to motio of a vehicle. I this case, whe the relatioshis (5) ad (6) are substituted i formula (4), the rage Z ca be exressed as: Z, V E f h 1 = 36 36, V F ( 1+ b ) (7) Z 36, V E f h 1 = 36, V F ( 1+ b ) (7) Na odstawie określoego zależością (7) zasięgiem ojazdu o rzyjętych arametrach techiczych i eksloatacyjych (V, F N, m oj, it.) moża dobrać moc aędu, eergię jedostkową akumulatorów oraz rodzaj aędu ojazdu. Wływ zmieych arametrów eksloatacyjych ojazdu a jego zasięg rzedstawioo a rys. 1. Na rys. 1 rzedstawioo wykres ilustrujący zasięg ojazdu od rędkości jazdy dla rzyjętych charakterys. yk eksloatacyjych układu aędowego ojazdu. Dla rzyjętych kocecji elektryczego układu aędowego ojazdu samochodowego założoo astęujące arametry[1]: - masa kostrukcyja ojazdu 580 kg - masa akumulatorów (4 x 38 kg) 152 kg - rędkość maksymala 19,44m/s (70 km/h) 2 - rzyśieszeie 0,4 m/s Bazując a doświadczeiach rzerowadzoych z ojazdem miejskim o aędzie elektryczym rzyjmujemy do wyliczeia zasięgu ojazdu elektryczego wartość wsółczyika β=0,24. Po odstawieiu do zależości (7) otrzymujemy wykres zmia zasięgu w zależości od rędkości jazdy ojazdu rzedstawioy a rys. 2. Przykładowe zestawieie odzesołów do budowy elektryczego ojazdu miejskiego a bazie taiego samochodu miejskiego Trabat rzedstawioo w tabeli 1 [1]. Based o the value of the vehicle rage, described by relatioshi (7), the vehicle havig the assumed oeratioal arameters (V, F N, m oj, etc.), the ower of the drive, the uit eergy of batteries ad the tye of the drive system ca be determied. The ifluece of the variable oeratioal arameters of a vehicle o its rage is show i Fig. 1. Fig.1 shows the diagram which illustrates the relatioshi betwee the vehicle rage ad the drivig seed for the assumed oeratioal characteristics of the vehicle ower trasmissios system. The followig arameters were assumed for the adoted cocets of the electric drive system of a car[1]: - weight of a car 580 kg - weight of batteries (4 x 38 kg) 152 kg - maximal seed 19.44m/s (70 km/h) 2 - acceleratio 0.4 m/s Based o the exerimets with a electric drive urba car, the rage of a electric drive car was calculated usig the coefficiet value β=0.24. Substitutig to relatioshi (7) yields the relatioshi betwee chages of the rage ad the drivig seed; the diagram is show i Fig. 2. A examle list of elemets of costructio of a electric drive urba car, based o a iexesive Trabat car, is show i Table 1 [1]. 71

4 NAUKA I TECHNIKA Rys. 1. Wykres zależości zasięgu ojazdu od rędkości jazdy rzy różych wartościach wsółczyika β Fig. 1. Diagram of the relatioshi betwee the rage of a vehicle ad the drivig seed at various values of coeffi ciet β Rys.2. Wykres zmia zasięgu ojazdu elektryczego w zależości od rędkości jazdy rzy założoym wsółczyiku β=0,24 Rys.2. The relatioshi betwee chages of the rage ad the drivig seed, with the adoted value of β=0.24 Tab. 1 Przykładowe zestawieie elemetów do budowy ojazdu miejskiego z aędem elektryczym Tab. 1. A examle list of costructio elemets of a electric drive urba car. Elemety rzykładowego ojazdu elektryczego / Elemets of a examle electric drive car Samochód osobowy Trabat model 1,1 A Trabat car, model 1,1 Silik elektryczy Etek Electric egie Etek Sterowik imulsowy silika elektryczego Alltrax AXE-7245 A ulse rogrammer of a electric egie Alltrax AXE-7245 Akumulatory Troja T-1275 Troja T-1275 Batteries Ie elemety (okablowaie, stycziki it.) / Other elemets (wirig, cotactors, etc.) 72 EKSPLOATACJA I NIEZAWODNOŚĆ NR 3/2008

5 SCIENCE AND TECHNOLOGY 3. Wioski Oracoway model obliczeiowy doboru arametrów eksloatacyjych ojazdu samochodowego z aędem elektryczym ozwala a wyzaczeie jego zasięgu w zależości od: rędkości jazdy, gabarytów ojazdu, jedostkowego zużycia eergii [kj/kg], jedostkowych oorów ruchu, wsółczyika obciążeia ojazdu f, srawości układu aędowego, realej eergii jedostkowej akumulatorów [kj/kg]. Na odstawie rzerowadzoych badań eksloatacyjych wyzaczoo wsółczyik β=0,24, który dla rzyjętych ozostałych arametrów umożliwia wyzaczeie realego zasięgu a odstawie wzoru Coclusios Thaks to the comutatioal model of the choice of arameters for a electric drive car it is ossible to determie its rage deedig o: drivig seed, car size, uit eergy cosumtio [kj/kg], uit resistace to motio, car load coefficiet f, efficiecy of the ower trasmissio system, real uit eergy of batteries [kj/kg]. The oeratioal exerimets yielded the coefficiet value of β=0.24, which for the other adoted arameters makes it ossible to determie the real rage from formula Refereces [1] Jauli M., Nowacki B.: Praca magisterska: Model fizyczy ojazdu miejskiego z aędem elektryczym WNT UWM 2007 wykoaa od kierukiem rof. dr. hab. iż. Ryszarda Michalskiego. [2] Michałowski K., Ocioszyński J.: Pojazdy samochodowe o aędzie elektryczym i hybrydowym. WKiŁ; Warszawa [3] Olszowiec P.: Elektrycze samochody, słoecze rowery, Eergia gigawat r 12/2003, [4] Szczeaiak C.: Motoryzacja a rzełomie eok. Wyd. Naukowe PWN, Warszawa-Łódź Prof. dr hab. iż. Ryszard MICHALSKI Mgr iż. Michał JANULIN Katedra Budowy Eksloatacji Pojazdów i Maszy UWM w Olsztyie ul. Oczaowskiego Olszty tel.: (089) michal.jauli@w.l 73