Nap d hybrydowy z przek adnià planetarnà mo liwoêci wykorzystania w autobusie miejskim *)

Transkrypt

1 Nap d hybrydowy z przek adnià planetarnà mo liwoêci wykorzystania w autobusie miejskim *) ANTONI SZUMANOWSKI PIOTR PIÓRKOWSKI ARKADIUSZ HAJDUGA W porównaniu z klasycznymi, spalinowymi uk adami nap dowymi, szeregowy nap d hybrydowy autobusu miejskiego cechuje mniejsza (o ok. 50%) emisja substancji szkodliwych, jednak zu ycie paliwa jest zmniejszone tylko nieznacznie. Znacznie wi ksze oszcz dnoêci zu ycia paliwa mo e zapewniç struktura uk adu nap dowego z przek adnià planetarnà, silnikiem spalinowym i bezszczotkowym silnikiem elektrycznym z magnesami trwa ymi (Permanent Magnet PM) pokazana na rys. 1. Rys. 1. Struktura szeregowo-równoleg ego uk adu nap dowego: TE silnik spalinowy, PG przek adnia planetarna, EM silnik elektryczny/generator PM, Bat bateria akumulatorów elektrochemicznych, C sprz g o, B1, B2 hamulce, DG przek adnia g ówna, TW ko a jezdne, CU falownik silnika elektrycznego Jest faktem oczywistym, e za o ony cel mo e byç uzyskany jedynie przy zastosowaniu w aêciwej koncepcji i strategii sterowania. Na obni enie zu ycia energii znaczny wp yw ma równie zastosowanie tylko jednej maszyny elektrycznej (dla porównania w Toyocie Prius zastosowane sà dwie maszyny elektryczne), co pozwala na eliminacj niepotrzebnych strat energii i podniesienie sprawnoêci ca ego uk adu. W aêciwoêci szeregowo-równoleg ego, hybrydowego uk adu nap dowego Prezentowany uk ad nap dowy sk ada si z silnika spalinowego, maszyny elektrycznej z magnesami trwa ymi, przek adni planetarnej i innych elementów dodatkowych (np. sprz g a, hamulce itp.). Jednak najwa niejszym elementem sercem uk adu jest przek adnia planetarna, która umo liwia sumowanie mocy pochodzàcej z obu silników i przekazywanie jej na ko a jezdne (rys. 2). Zsumowana na wale jarzma moc N 3 mo e byç wyra ona zale noêcià: N i = M i ω i (2) gdzie: N i moc mechaniczna na wale elementu i, M i moment na wale elementu i, ω i pr dkoêç obrotowa wa u elementu i, k prze o enie bazowe przek adni planetarnej. Zgodnie z zale noêcià (1) wymagana wartoêç mocy na ko ach jezdnych mo e byç uzyskana poprzez w aêciwà regulacj pr dkoêci Rys. 2. Schemat przek adni planetarnej: 1 ko o s oneczne po àczone z silnikiem spalinowym, 2 ko o koronowe po àczone z silnikiem elektrycznym, 3 jarzmo po àczone z ko ami jezdnymi (poprzez przek adni g ównà) obrotowych wa ów przek adni planetarnej (ω 1 i ω 2 ), po àczonych z silnikami. Pozwala to jednoczeênie na wybór punktów pracy obu silników i umieszczenie ich w obszarach najwy szych sprawnoêci. Ma to olbrzymie znaczenie ze wzgl du na uzyskanie wysokiej sprawnoêci ca ego uk adu i ograniczenie zu ycia paliwa. Tryby pracy prezentowanego uk adu nap dowego Stosunkowo du e mo liwoêci wyboru punktów pracy obu silników nie sà jedynà zaletà wymienionego uk adu nap dowego dodatkowà korzyêcià jest wybór trybu pracy uk adu. Prezentowany uk ad mo e pracowaç w trybach: hybrydowym, czysto elek- (1) *) Praca jest dofinansowywana przez Komitet Badaƒ Naukowych. Prof. zw. dr hab. in. Antoni Szumanowski, mgr in. Piotr Piórkowski i mgr in. Arkadiusz Hajduga sà pracownikami Politechniki Warszawskiej. Rys. 3. Tryb pracy czysto elektryczny: silnik elektryczny pracuje (V2), silnik spalinowy jest zatrzymany (V1) Rys. 4: Tryb pracy hybrydowy: silnik elektryczny (V2) i spalinowy (V1) pracujà razem Rys. 5. Tryb pracy czysto spalinowy: silnik spalinowy pracuje (V1), silnik elektryczny jest zatrzymany (V2=0) 69

2 Rys. 6. Schemat przep ywu energii podczas hamowania autobusu (w czysto elektrycznym trybie pracy) hamulec B1 jest w àczony, a silnik spalinowy TE zatrzymany trycznym, czysto spalinowym i w trybie do adowywania baterii (rys. 3, 4, 5). Na rys. 3, 4 i 5 pokazane sà rozk ady stycznych pr dkoêci liniowych poszczególnych elementów we wspomnianych trybach pracy. Hamowanie odzyskowe autobusu jest realizowane w czysto elektrycznym trybie pracy (rys. 6). Wybór odpowiedniego trybu pracy dokonywany jest poprzez sterowanie pr dkoêciami obrotowymi wa ów silników oraz prze àczanie odpowiednich sprz gie i hamulców. W przypadku hamowania odzyskowego wa silnika spalinowego B1 jest zahamowany, przez co uk ad pracuje w trybie czysto elektrycznym energia kinetyczna pojazdu zamieniana jest w maszynie elektrycznej na energi elektrycznà, która do- adowuje bateri. Rozruch pojazdu Podobnie jak w przypadku hamowania, rozruch pojazdu wykonywany jest w czysto elektrycznym trybie pracy. Autobus, który rusza korzystajàc z energii elektrycznej, emituje znacznie mniej zanieczyszczeƒ i ha asu, co jest szczególnie wa ne w ruchu miejskim. Zastosowana koncepcja sterowania rozdzia em mocy pomi dzy silniki umo liwia rozruch pojazdu w trybie czysto elektrycznym, bez koniecznoêci zmiany kierunku obrotów wa u silnika elektrycznego. Koncepcja sterowania zaprezentowana jest schematycznie na rys. 7. Najpierw uk ad pracuje w trybie czysto elektrycznym (strza ka A). Kiedy pr dkoêç obrotowa wa u silnika elektrycznego ω 2 (i wa u jarzma ω 3 ) jest wystarczajàco du a, aby po przejêciu do hybrydowego trybu pracy silnik spalinowy móg pracowaç z pr dkoêcià wi kszà od pr dkoêci biegu ja owego ω 1min, bez koniecznoêci zmiany kierunku obrotów wa u silnika elektrycznego, wówczas nast puje rozruch silnika spalinowego (strza ka B na rys. 7) i przejêcie uk adu nap dowego w hybrydowy tryb pracy (na rys. 7, na podwójnie zakreskowanym obszarze strza ki D, w zale noêci od obranej strategii sterowania rozdzia em mocy pomi dzy silnikami). Rozruch silnika spalinowego Silnik spalinowy w omawianym uk adzie nap dowym mo e byç uruchomiony w nast pujàce sposoby: Poprzez dodatkowy rozrusznik, Poprzez krótkotrwa e hamowanie generatorowe silnika elektrycznego PM, Poprzez krótkotrwa e mechaniczne przyhamowanie wa u silnika elektrycznego (hamulcem B2 na rys. 1). Zastosowanie dodatkowego rozrusznika silnika spalinowego jest najprostsze, ale nie jest rozwiàzaniem rekomendowanym ze wzgl du na to, e dodatkowy odbiornik energii pogarsza ogólny bilans energetyczny. Metoda rozruchu silnika spalinowego, polegajàca na wytworzeniu niezb dnego momentu poprzez krótkotrwa e hamowanie generatorowe silnika elektrycznego PM, jest rozwiàzaniem dobrym, jednak wymagajàcym skomplikowanego sterowania i precyzyjnych elementów wykonawczych. Wydaje si zatem, e najbardziej efektywnym rozwiàzaniem jest rozruch poprzez krótkotrwa e, mechaniczne przyhamowanie wa u silnika elektrycznego (hamulcem B2 na rys. 1) (rys. 8 i 9). W chwili, gdy silnik spalinowy powinien zostaç uruchomiony, falownik silnika elektrycznego PM przechodzi na moment w stan pracy biegu ja owego. W takich warunkach moment elektromagnetyczny silnika elektrycznego jest zerowy (rys. 8). Rys. 7. Schemat rozruchu pojazdu na p aszczyênie pr dkoêci wa ów przek adni planetarnej: strza ka A jazda czysto elektryczna, B rozruch silnika spalinowego, C poczàtek jazdy hybrydowej, D jazda hybrydowa w zale noêci od obranej strategii sterowania rozdzia em mocy pomi dzy silnik spalinowy i elektryczny PM Rys. 8. Przebiegi czasowe momentów na wa ach silnika elektrycznego (ozn. electric motor ) i spalinowego (ozn. CE ); w trakcie rozruchu silnika spalinowego moment elektromagnetyczny silnika elektrycznego jest zerowy 70

3 Testy symulacyjne wykonano przy u yciu cyklu jazdy autobusu miejskiego w Warszawie, przedstawionego na rys. 11. Rys. 9. Momenty wywo ywane przez odpowiednie hamulce cierne; oznaczenia: brake on the sun wheel hamulec na wale ko a s onecznego; brake on the crown wheel hamulec na wale ko a koronowego W chwili, gdy silnik elektryczny pracuje ja owo, hamulec B1 (na rys. 1) (osadzony na wale silnika spalinowego i po àczony z wa em ko a s onecznego przek adni planetarnej) zostaje roz àczony i jednoczeênie nast puje krótkotrwa e za àczenie hamulca B2 (osadzonego na wale silnika elektrycznego PM, po àczonego z wa em ko a koronowego przek adni planetarnej) (rys. 9). Krótkotrwa e przy o enie momentu hamujàcego na wale silnika elektrycznego powoduje rozruch wa u silnika spalinowego pod wp ywem bezw adnoêci pojazdu. Omówiona sekwencja pozwala na uruchomienie silnika spalinowego w sposób niemal nieodczuwalny dla pasa erów, ze wzgl du na du à ró nic pomi dzy masà pojazdu a momentami bezw adnoêci wa ów silników. Rys. 11. Warszawski cykl jazdy autobusu Zaprezentowany algorytm sterowania (rys. 7) umo liwia prac maszyny elektrycznej w dwóch (2-q), a nie czterech (4-q) çwiartkach uk adu M(ω). Dwuçwiartkowa (2-q) praca maszyny elektrycznej jest znacznie prostsza do zrealizowania przez falownik i umo liwia obni enie jego kosztów. Wybrane wyniki badaƒ symulacyjnych Dla przyk adowego autobusu (rys. 10), którego parametry przedstawione zosta y w tabeli, wyposa- onego w dwuêród owy uk ad nap dowy przedstawiony na rys. 1, wykonano badania symulacyjne. Rys. 10. Autobus, którego parametry wykorzystano do przeprowadzenia badaƒ symulacyjnych Parametry pojazdu i uk adu nap dowego Masa kg Powierzchnia czo owa 6,92 m 2 Wspó czynnik oporów toczenia 0,01 Wspó czynnik oporów aerodynamicznych c x 0,55 Promieƒ dynamiczny kó 0,51 m Prze o enie przek adni g ównej 2,98 Prze o enie bazowe przek adni planetarnej 1,33 PojemnoÊç nominalna baterii NiMH Napi cie nominalne baterii Zu ycie paliwa 3x20 Ah 192 V 22,7 l/100 km Rys. 12. Przebiegi pr dkoêci obrotowych na poszczególnych wa ach przek adni planetarnej w trakcie realizacji za o onego cyklu jazdy z zastosowaniem zaprezentowanej strategii rozruchu pojazdu; oznaczenia: sun wheel ko o s oneczne, crown wheel ko o koronowe, yoke jarzmo nale y zwróciç uwag, e wa ko a koronowego, po àczonego z silnikiem elektrycznym w trakcie cyklu nie zmienia kierunku obrotów Silnik elektryczny, który zmienia kierunek obrotów, pracuje z bardzo niskà sprawnoêcià. SprawnoÊç maszyny w okolicach niskich obrotów jest ma a, zw aszcza przy du ych wartoêciach momentów wyst pujàcych w czasie przyspieszania. Ta niedogodnoêç nie wyst puje przy zastosowaniu zaprezentowanej strategii rozruchu pojazdu. Aby uniknàç koniecznoêci dodatkowego adowania baterii elektrochemicznej, w którà wyposa ony jest omawiany uk ad nap dowy, konieczne jest utrzymywanie jej na adowania na okreêlonym poziomie (rys. 14) to zadanie realizowane jest przez algorytm sterowania rozdzia em mocy pomi dzy silnik 71

4 sycznym oraz dla 11,5-tonowych autobusów z nap dami klasycznym i hybrydowym. Porównanie uzyskanych zu yç paliwa zosta o przedstawione na rys. 16. Rys. 13. Przebiegi momentów na wa ach przek adni planetarnej podczas realizacji za o onego cyklu jazdy Rys. 16. Porównanie uzyskanych zu yç paliwa dla autobusów z nap dem klasycznym ( conventional ) i hybrydowym ( hybrid ) w zale noêci od masy Rys. 14. Przebieg stopnia na adowania baterii (SOC) w cyklu jazdy poziom na adowania baterii na poczàtku i na koƒcu cyklu ma t samà wartoêç Wnioski Âwiatowe doêwiadczenia z hybrydowym uk adem nap dowym o budowie szeregowej wykazujà, e nap d ten nie jest w pe ni satysfakcjonujàcy ze wzgl du na zu ycie paliwa. Oznacza to, e zu ycie paliwa mo e byç znacznie ni sze, pod warunkiem zastosowania innej budowy uk adu. Jednak ze wzgl du na niskà emisj substancji szkodliwych nawet nap d szeregowy ma przewag nad nap dem klasycznym (emisja substancji szkodliwych jest mniejsza o oko o 50%). Zaprezentowana w artykule propozycja budowy uk adu nap dowego i jego sterowania jest bardzo spalinowy i elektryczny. Algorytm ten zbudowany jest wed ug za o eƒ logiki rozmytej. Podsumowaniem badaƒ symulacyjnych jest przebieg zu ycia paliwa przez silnik spalinowy w warunkach zbilansowania adunku baterii (rys. 15). W aêciwie zdefiniowane algorytmy sterowania rozruchem pojazdu oraz rozdzia em mocy pomi dzy silnikami pozwalajà na uzyskanie zu ycia paliwa na poziomie 22,7 l/100 km. Analogiczne badania symulacyjne przeprowadzone zosta y dla 15-tonowego pojazdu z nap dem kla- Rys. 15. Przebieg zu ycia paliwa Rys. 17a, b. Stanowisko laboratoryjne odwzorowujàce prac dwuêród owego uk adu nap dowego 72

5 obiecujàca, zw aszcza pod wzgl dem zu ycia paliwa w porównaniu z nap dem klasycznym mo e byç ono ni sze o ok. 15 l/100 km. Prostej budowie mechanicznej przedstawionego uk adu nap dowego towarzyszy jednak dosyç skomplikowane sterowanie. Ten problem jest ju w znacznej mierze rozwiàzany, a podstawowe za o- enia zosta y przedstawione w niniejszej pracy. Badania symulacyjne prowadzone w Zespole Nap dów i Sterowania Instytutu Maszyn Roboczych Ci kich SiMR sà weryfikowane na stanowiskach laboratoryjnych znajdujàcych si w Laboratorium Nap dów Wieloêród owych (rys. 17, 19). Oprócz badaƒ prowadzonych nad wieloêród owymi uk ada- Rys. 18. Rower z nap dem mechanicznym i elektrycznym z oty medal na 46. Mi dzynarodowej Wystawie Wynalazków i Innowacji BRUSSELS EUREKA 97 Rys. 19. Stanowisko laboratoryjne do badaƒ uk adu nap dowego roweru elektrycznego mi nap dowymi, dla pojazdów takich jak zaprezentowany w pracy autobus, analizowane sà tak e mo liwoêci wykorzystania tych e uk adów w innych pojazdach w pojazdach osobowych, w maszynach roboczych (np. lokomotywy i wozy odstawcze dla górnictwa), w lekkich pojazdach miejskich (np. MELEX), czy chocia by w rowerach elektrycznych (rys. 18). LITERATURA 1. Szumanowski A.: Fundamentals of Hybrid Vehicle Drives. Monograph book. ITE Warsaw, Szumanowski A., Piórkowski P., Hajduga A., Viet Khoa Nguyen: The Approach to Proper Control of Hybrid Drive. Electric Vehicle Symposium EVS 17 Montreal (Canada) Szumanowski A., Hajduga A., Piorkowski P.: Evaluation of Efficiency Alterations in Hybrid and Electric Vehicle Drives. Proceeding of Advanced Propulsion System GPC. Detroit (USA), 1998.