Rozdział sił hamowania i efektywność energetyczna w układzie hamowania odzyskowego pojazdu elektrycznego.

Transkrypt

1 JUDA Zdzisław 1 Rozdział sił hamowania i efektywność energetyczna w układzie hamowania odzyskowego pojazdu elektrycznego. WSTĘP Hamowanie odzyskowe w pojazdach z napędem czysto elektrycznym bądź hybrydowym jest obecnie właściwością wykorzystywaną powszechnie. Rozwój technologii maszyn elektrycznych, wtórnych źródeł energii, energoelektroniki i systemów sterowania pozwala na coraz bardziej wydajne korzystanie z tej właściwości. Hamowanie odzyskowe polega na konwersji energii kinetycznej pojazdu będącego w ruchu na taką postać energii, którą można zmagazynować we wtórnym źródle energii. Najczęściej występującą postacią energii po konwersji jest energia elektryczna, łatwa do magazynowania w bateriach lub superkondensatorach [3]. Znane są także systemy z magazynowaniem energii mechanicznej (szybkoobrotowe koła zamachowe z wirnikami kompozytowymi). Systemy napędowe z opcją hamowania odzyskowego powinny uwzględniać szereg aspektów wpływających na przebieg procesu. Bardzo istotne znaczenie ma zachowanie stabilności ruchu pojazdu podczas hamowania. Innym ważnym aspektem jest współpraca systemu hamowania odzyskowego z konwencjonalnym układem hamulcowym w przypadku napędu pojazdu na jedą oś. Dobór wielkości maszyny elektrycznej (lub maszyn) związany z potrzebami napędowymi pojazdu, co limituje ilość przejętej energii w początkowej fazie hamowania. Na efekty energetyczne procesu odzysku energii hamowania ma wpływ łańcuch sprawności przemiany energii w posczególnych elementach systemu. 1. PROCES HAMOWANIA POJAZDU 1.1. Stabilność ruchu pojazdu i rozkład sił hamowania W różnych warunkach drogowych rozkład sił hamowania pomiędzy osie przednią i tylną musi zapewniać minimalizację drogi hamowania przy utrzymaniu stabilności ruchu pojazdu. Rzeczywista siła hamowania generowana w miejscu styku kół z podłożem jest zależna od przyczepności kół i od składowej obciążenia prostopadłej do podłoża. W związku z tym w celu uzyskania maksymalnej siły hamowania na obydwu osiach, muszą być spełnione relacje [1]: F bf F br = W f W r (1) F bf j g = La+h g F j br L b h g g (2) F bf + F br = M j (3) 1 Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki w Krakowie, Wydział Mechaniczny; Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych, al. Jana Pawła II 37, Kraków; Tel: , zjuda@pk.edu.pl 1

2 Powyższe zależności pozwalają na uzyskanie krzywej idealnego rozkładu sił hamowania pomiędzy osie przednią i tylną dla pojazdu o określonych parametrach (masa, rozstaw osi, położenie środka masy). Na rysunku 2 krzywa ta jest oznaczona jako I. W przypadku rozkładu sił hamowania zgodnego z przebiegiem krzywej I, wszystkie koła pojazdu powinny zatrzymać się w tym samym czasie, a droga hamowania powinna być optymalna. Warunek wynikający z przebiegu krzywej I jest trudny do spełnienia w każdych warunkach, zatem typowe układy hamulcowe wykorzystują najczęściej stały stosunek sił hamowania osi przedniej i tylnej, wynoszący np Rys. 1. Siły działające na pojazd podczas hamowania na drodze płaskiej Krzywa oznaczona ECE wynika z regulacji ECE dla pojazdów kategorii M1, czyli dla pojazdów przeznaczonych do przewozu osób mające nie więcej niż dziewięć miejsc wraz z kierowcą. Krzywą ECE wyznaczają poniższe zależności: F bf W f F br W r, (4) z (μ 0.2); z = j g (5) Oznaczenia: F bf - siła hamowania kół osi przedniej, F br - siła hamowania kół osi tylnej, W f - siła reakcji w punkcie styku kół osi przedniej z podłożem, W r - siła reakcji w punkcie styku kół osi tylnej z podłożem, L a - odległość rzutu środka masy od punktu styku kół osi przedniej [cm], L b - odległość rzutu środka masy od punktu styku kół osi tylnej [cm], h g - wysokość środka masy COG [cm], j - opóźnienie pojazdu [m/s 2 ], g - przyspieszenie ziemskie [m/s 2 ], M - masa pojazdu [kg], - współczynnik przyczepności, z - intensywność hamowania. 2

3 Regulacja ECE wyznacza minimalne warunki rozdziału sił hamowania, tzn. w każdych warunkach rzeczywisty rozdział sił hamowania musi leżeć w obszarze pomiędzy krzywymi I oraz ECE [2]. Limit ECE ma charakter nieliniowy, co ma wpływ na komplikacje budowy układu sterowania. Rys. 2. Idealny oraz zgodny z regulacją ECE rozkład sił hamowania pojazdu 1.2. Przebieg hamowania z punktu widzenia komfortu kierowcy i pasażerów Względny komfort kierowcy i pasażerów pojazdu w trakcie hamowania odzyskowego jest osiągalny w większości typowych przypadków hamowania. W przypadku wystąpienia konieczności hamowania awaryjnego aspekt komfortu przestaje być istotny. Odczuwanie komfortu jest względne i jest zmienne dla różnych ludzi. Na odczuwanie komfortu decydujący wpływ ma opóźnienie pojazdu i związany z tym zryw, definiowany jako zmiana opóźnienia w czasie, tzn. trzecia pochodna drogi po czasie. Jako względnie komfortowy można uznać średni poziom opóźnienia poniżej 2.0 m/s 2 [6]. Przy projektowaniu systemu sterowania hamowaniem odzyskowym należy brać pod uwagę powyższą wartość dla przypadków hamowania o typowym przebiegu. W przypadkach nagłego (awaryjnego) przebiegu hamowania dopuszcza się znaczne przekroczenie tych wartości. Systemy sterowania hamowaniem pojazdów elektrycznych umożliwiają kontrolę wartości momentu hamującego w celu spełnienia wymogów płynnego i skutecznego przebiegu hamowania [3]. 2. ASPEKTY ENERGETYCZNE PRZEMIANY ENERGII W PROCESIE HAMOWANIA ODZYSKOWEGO Analiza sprawności odzysku energii hamowania powinna brać pod uwagę kierunek przepływu energii przez cały łańcuch elementów systemu. Moc na wyjściu (wale) maszyny elektrycznej w trybie pracy napędowej jest mniejsza niż moc dostarczana do maszyny z baterii (sprawność maszyny i elektronicznych układów mocy) [6]. 3

4 Rys. 3. Łańcuch przemiany energii w pojeździe elektrycznym w trybie napędu Odpowiednio w trybie hamowania odzyskowego moc na wale maszyny elektrycznej jest większa niż moc przekazywana do baterii. Rys. 4. Łańcuch przemiany energii w pojeździe elektrycznym w trybie hamowania odzyskowego Podczas hamowania pojazdu od prędkości v 1 do v 2 m/s dostępna do odzysku energia kinetyczna wynosi: E KT = M(v 1 2 v 2 2 ) 2 (6) E KT - energia kinetyczna całkowita w czasie zmiany prędkości pojazdu [J], M - masa pojazdu [kg], v 1, v 2 - początkowa i końcowa prędkość pojazdu [m/s]. Hamowanie odzyskowe jest dostępne zazwyczaj jedynie dla osi napędzanej, co znacząco wpływa na stopień odzysku energii. Inne ograniczenia związane są z doborem wielkości maszyny elektrycznej i dopuszczalną wielkością prądu ładowania baterii. Pod koniec procesu hamowania, przy niskiej prędkości, maszyna elektryczna wytwarza zbyt mały moment hamujący, co wymusza konieczność użycia konwencjonalnego układu hamulcowego. Sprawność maszyny elektrycznej sterowanej współcześnie za pośrednictwem układów energoelektronicznych i sterowników cyfrowych uwzględnia straty energii w tych elementach sytemu. P GI = η T v(ma x F R ) (7) P GI = η T (vma x P R ) (8) P GI - moc mechaniczna dostępna w czasie hamowania [W], - sprawność całkowita jednostki napędowej pojazdu [% ], 4

5 B - sprawność energetyczna baterii w trybie ładowania [ %], v - prędkość pojazdu [m/s], a x - przyspieszenie wzdłużne pojazdu [m/s 2 ], F R - suma sił oporu (toczenia, aerodynamicznego) [N]. Sprawność zespołu maszyna/sterownik jest określona z dużym przybliżeniem poprzez relację [5]: η m/g = Tω Tω+k c T 2 +k i ω+k w ω 3 +C (9) T - moment obrotowy maszyny [Nm], - prędkość obrotowa [rad/s], k c, k i, k w - stałe strat w miedzi, żelazie i oporów powietrza wirującego twornika [ ], C - stałe straty mocy niezależne od prędkości [W], m/g - sprawność maszyny elektrycznej i energoelektronicznych układów mocy [%]. Wykres warstwicowy sprawności silnika DC w układzie moment/prędkość kątowa przedstawiony jest na rysunku 5. Zaznaczony został moment znamionowy maszyny i krzywa mocy. Rys. 5. Charakterystyka silnika elektrycznego DC Moc dostępna na zaciskach baterii z uwzględnieniem sprawności maszyny elektrycznej: P GO = η G P GI (10) P GO - moc wyjściowa generatora (na zaciskach baterii) [W], G - sprawność maszyny elektrycznej (w trybie generatora) [ %]. 5

6 Moc przejmowana przez baterię: P BI = η G η B η T (vma x P R ) (11) P R - moc wynikająca z sił oporu i prędkości pojazdu [W]. Przy założeniu stałości napięcia i ograniczonej wartości prądu ładowania baterii, maksymalna moc absorbowana przez baterię wyniesie: P BM = UI M (12) P BM U I M - maksymalna moc absorbowana przez baterię [W], - napięcie ładowania baterii [V], - maksymalny prąd ładowania [A]. W każdym przypadku, kiedy moc mechaniczna dostępna jest większa niż moc maksymalna podzielona przez łańcuch sprawności przemiany energii (η G η B η T ), moc absorbowana przez baterię wynosi P BM, a całkowita sprawność systemu odzysku energii hamowania jest określona zależnością: η R = E B E GI = η G η B η T (13) 3. PRZEBIEG ZMIAN MOCY W CYKLU JEZDNYM Z uwzględnieniem wszystkich uwarunkowań wynikających z powyżej przedstawionych zależności przeprowadzono obliczenia dla użytkowego pojazdu elektrycznego o parametrach jak na Rysunku 2. W celu zapewnienia powtarzalności warunków obliczeń przyjęto minicykl jezdny bazujący na standardowym cyklu ECE15, ograniczonym do prędkości jazdy możliwych do uzyskania przez testowy pojazd. Przebieg cyklu o czasie trwania 120 s przedstawia rysunek 6. Rys. 6. Minicykl jezdny na bazie ECE15 6

7 Rysunek 7 przedstawia zależność mocy na kołach pojazdu w funkcji prędkości jazdy. Jest to moc pobierana z baterii w trybie napędu, bądź oddawana do baterii w trybie hamowania odzyskowego. Zmniejszony pobór mocy oraz ujemne wartości mocy dotyczą tych fragmentów cyklu, w którym realizowane jest hamowanie odzyskowe pojazdu, a energia zwiększa ładunek baterii elektrochemicznej. Rys. 7. Przebieg mocy na zaciskach maszyny elektrycznej WNIOSKI Przebieg procesu hamowania użytkowych pojazdów elektrycznych daje możliwość maksymalnego wykorzystania trybu hamowania regeneracyjnego za pośrednictwem kół osi napędzanej. Z uwagi na niewielką prędkość pojazdu, utrzymanie stabilnego ruchu pojazdu jest możliwe nawet przy hamowaniu kół tylko osi napędzanej. Z kolei, z punktu widzenia komfortu jazdy, w tego typu pojazdach droga hamowania jest wystarczająco krótka przy zachowaniu niskich wartości opóźnienia i zrywu. Z Rysunku 2 wynika, że zgodnie z wymogami Regulacji ECE (Dyrektywa 2001/116/EC), włączenie układu konwencjonalnego hamowania powinno nastąpić po osiągnięciu wartości opóźnienia pojazdu powyżej 1.85 m/s 2. Przetworzona w wyniku hamowania odzyskowego porcja energii uzupełnia ładunek baterii, wydłużając tym samym zasięg pojazdu pomiędzy kolejnymi cyklami ładowania baterii. Poprzez odpowiednie sterowanie napędową maszyną elektryczną można w pojazdach elektrycznych uzyskać oszczędności energetyczne przy zachowaniu wymaganych parametrów hamowania oraz odczucia komfortu użytkowników. Streszczenie W artykule został położony nacisk na energetyczne i środowiskowe aspekty hamowania odzyskowego użytkowych pojazdów z napędem elektrycznym. Systemy sterowania współczesnych pojazdów elektrycznych umożliwiają kształtowanie charakterystyk przebiegu procesu hamowania zorientowanych na efektywność energetyczną przy zachowaniu takich cech ruchu jak stabilność pojazdu i komfort kierowcy i pasażerów. Przedstawione zostały zależności zapewniające odpowiedni rozkład sił hamowania pomiędzy osie pojazdu. Kolejny paragraf artykułu przedstawia rolę współczynników sprawności poszczególnych składników łańcucha przemiany energii i warunki odczuwalnego komfortu kierowcy. Całkowita sprawność systemu napędu pojazdu elektrycznego z uwagi na stosunkowo długi łańcuch przemiany energii w znaczący sposób obniża efekty energetyczne odzysku energii hamowania. Przeprowadzone obliczenia pokazują wpływ sprawności na poszczególnych etapach konwersji na wielkość energii przekazanej do wtórnego źródła energii. Słowa kluczowe: energia kinetyczna, hamowanie odzyskowe, maszyna elektryczna, sprawność 7

8 Brake force distribution and energetic effectiveness of the system of electric vehicle regenerative braking. Abstract The paper focuses on energy and environmental aspects of regenerative braking performance of electric vehicles. Modern control systems for electric vehicles allow the formation of the characteristics of the braking oriented energy efficiency while maintaining traffic characteristics such as vehicle stability and comfort to the driver and passengers. The appropriate formulas to ensure proper distribution of braking forces between the axles of the vehicle are presented. The next section of the article presents the role of efficiencies of the individual components of energy conversion chain and conditions sensible driver comfort. The total efficiency of the electric vehicle propulsion system due to the relatively long chain of energy conversion significantly reduces the energy efficiency of the braking energy recovery. The calculations show the effect of performance on the various stages of the conversion of the size of the energy transferred to the secondary source of energy. Keywords: kinetic energy, regenerative braking, electric machine, efficiency BIBLIOGRAFIA 1. Eshani M., Gao Y., Gay S., E., Emadi A., Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles/ Fundamentals, Theory, and Design. CRC Press, Guo J., Wang J., Cao B., Regenerative Braking Strategy for Electric Vehicles, IEEE Conference Publications, /09, 2009 IEEE, pp Juda Z., Hamowanie odzyskowe pojazdów z napędem elektrycznym strategie sprawności odzysku i komfortu jazdy, Wydawnictwo PK, ISBN , Khajepour A., Fallah S., Goodarzi A., Electric and Hybrid Vehicles, John Wiley & Sons, Ltd. Chichester Larminie J., Lowry J., Electric Vehicle Technology Explained. John Wiley & Sons, Ltd. Chichester Mutoh N., Hayano Y., Yahagi H., Electric Braking Control Method for Electric Vehicles with Independently Driven Front and Rear Wheels, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 54, No. 2,