WYDZIAŁ MECHANICZNY TECHNOLOGICZNY Politechniki Śląskiej ROZPRAWA DOKTORSKA. Modelowanie dynamiki napędu hybrydowego

Transkrypt

1 WYDZIAŁ MECHANICZNY TECHNOLOGICZNY Politechniki Śląskiej ROZPRAWA DOKTORSKA mgr inż. Adam Stachura Modelowanie dynamiki napędu hybrydowego Promotor: prof. dr hab. inż. Arkadius MĘŻYK Gliwice 11

2

3 1. Wstęp Historia pojadów hybrydowych Charakterystyka napędów hybrydowych Pregląd literatury Konfiguracja napędów hybrydowych Uwarunkowania rynkowe normy europejskie ora rynek paliw Aktualny rowój napędów hybrydowych Rowiąania technicne elementów napędu hybrydowego Silniki elektrycne Akumulatory Materiały termoelektrycne Hamowanie regeneracyjne Superkondensatory Połącenie mechanicne dwóch silników Testy hybrydowych samochodów dostawcych UPS Prykłady astosowao System KERS Stanowisko do badao napędów hybrydowych Cel pracy Ogólna koncepcja pojadu Pojad Fiat Panda, jako baa do budowy demonstratora Mechatronicne podejście do realiacji projektu Oblicenia dynamiki pojadu Oblicenia dynamiki konwencjonalnego napędu Opory ruchu Dobór napędu elektrycnego Model numerycny awiesenia pojadu Model silnika elektrycnego Program komputerowy do badań symulacyjnych Algorytm programu symulacyjnego Analia poprawności modelu w ustalonych cyklach jady Omówienie standardowych cykli jady Oblicenia symulacyjne dla napędu elektrycnego

4 5.5. Algorytm sterujący Budowa demonstratora pojadu hybrydowego Założenia projektowe ora opis charakterystyki dynamicnej pojadu Wybór komponentów do budowy pojadu ora opis rowiąania typu e4wd Opis astosowanych w pojeźdie rowiąao konstrukcyjnych Badania doświadcalne Program badao Pomiary dynamometrycne silnika spalinowego Pomiary użycia paliwa w stanach ustalonych Pomiary użycia paliwa pry pryspiesaniu Pomiary użycia paliwa w porównaniu wynikami symulacji komputerowych Analia kostów budowy demonstratora Podsumowanie i wnioski Literatura

5 1. Wstęp 1.1. Historia pojadów hybrydowych W wiąku rosnącymi cenami paliw ora aostrającymi się normami emisji gaów cieplarnianych, cora więcej uwagi poświęca się nowym, ekonomicnym konstrukcjom napędowym. Spośród wielu rowiąań cora więksą popularność dobywają konstrukcje hybrydowe. Napędy takie są już powsechnie wykorystywane arówno w samochodach osobowych, ciężarowych jak i w ciężkich masynach robocych. Pomimo, że takie rowiąania były nane od pocątku rowoju motoryacji (Rysunek 1), to faktycny prełom nastąpił w 1997 roku, kiedy koncern Toyota ropocął masową produkcję modelu Prius. Od tego casu spredano już ponad milion egemplary tego samochodu na całym świecie. Dobre wyniki spredaży potwierdiły duże ainteresowanie e strony użytkowników, dięki cemu również inne koncerny samochodowe wprowadiły pojady hybrydowe do swojej oferty. Ze wględu na wyżse kosty akupu rowiąania takie są stosowane głównie w pojadach klas wyżsych, gdie wględny pryrost ceny nie jest tak nacący dla potencjalnych klientów. Ciągły rowój technologii ora więksający się popyt powalają jednak wnioskować, że kosty produkcji będą się mniejsać, dięki cemu rowiąania te staną się bardiej dostępne dla sersego grona kierowców. Rysunek 1. Krieger Electric spalinowo elektrycny pojad 193 roku Pomimo, że samochody hybrydowe pojawiły się w spredaży aledwie kilka lat temu to pomysł wykorystania silnika elektrycnego jako źródła napędowego pojadu powstał już w XVIII wieku. W 1898 roku Ferdynand Porsche skonstruował swój pierwsy pojad hybrydowy, w którym silnik spalinowy napędał generator prekaujący energię do silników elektrycnych umiesconych w obręcach kół. Na prełomie XIX wieku amerykańskie fabryki wyprodukowały 1681 pojadów parowych, 1575 pojadów elektrycnych ora 936 pojadów spalinowych. Dane te wskaują na ówcesną niską popularność silników spalinowych. Było to spowodowane trudnościami w ich obsłude i utrymaniu. Sytuację tą mienił dopiero wynalaek automatycnego rorusnika ora ropocęcie masowej produkcji 5

6 Tysiące samochodów w akładach Forda. W 1913 roku spredano ponad 18 egemplary Forda T natomiast sumarycna spredaż pojadów elektrycnych spadła do 6 stuk. Od tego momentu pojady spalinowe ropocęły swoją dominację na rynku wypierając całkowicie samochody elektrycne i parowe. Dopiero koniec XX wieku prywrócił ideę wykorystania napędów elektrycnych w pojadach osobowych. Tabela 1. Europejskie standardy emisji spalin pojadów osobowych [g/km] Data CO THC NMHC NO X HC+ NO X PM Diesel Euro1 Lipiec Euro Styceń Euro3 Styceń Euro4 Styceń Euro5 Wresień Euro6 Wresień Benynowe Euro1 Lipiec Euro Styceń Euro3 Styceń Euro4 Styceń Euro5 Wresień Euro6 Wresień Jednym głównych powodów tego stanu jest wprowadenie rygorystycnych ograniceń emisji spalin. Od casu ich wprowadenia w 199 roku producenci samochodów wprowadili sereg innowacyjnych rowiąań obniżających emisję toksyn do środowiska, prykładowo prawie pięciokrotnej redukcji uległa emisja CO. Jednym najcęściej stosowanych rowiąań jest tw. downsiing, cyli wprowadanie nowych doładowanych silników o mniejsych pojemnościach skokowych. Jednak rowiąaniem, które w najwięksym stopniu powala ogranicyć arówno użycie paliwa jak i emisję gaów wylotowych w ruchu miejskim jest wykorystanie hybrydowego napędu spalinowo elektrycnego. Charakteryuje się on kilkoma unikatowymi aletami jak odysk energii hamowania cy możliwość jady w trybie elektrycnym. Powala to optymalnie wykorystywać potencjał silnika spalinowego scególnie w miejskim cyklu jady , ,3 377,9 59,1 5,1 165, Wyprodukowanych egemplary Rysunek. Globalna spredaż samochodów hybrydowych w latach 4-9 [75] 6

7 Koryści płynące wykorystania napędów hybrydowych w pojadach osobowych prycyniły się do ich sybkiej akceptacji e strony klientów, co prekłada się na cora lepse wyniki spredaży (Rysunek ). Równolegle prowadone są również prace nad ulepseniami istniejących silników spalinowych ora możliwością wykorystania innych źródeł energii jak wodór. Jednak jest bardo prawdopodobnym, że na prestreni najbliżsych lat to właśnie napędy spalinowo-elektrycne poostaną najbardiej ekonomicnymi napędami na rynku. Dięki dużemu popytowi nastąpił sybki postęp technologii prowadący do polepsenia parametrów podespołów napędów ora obniżania ich kostów produkcji. Jako najważniejsy cynnik, determinujący rowój technologii, należy traktować postęp w diedinie nowocesnych metod magaynowania energii. Do tej pory popularyacja napędów elektrycnych była wciąż ogranicana pre ich masę, cenę i romiar. Zestaw akumulatorów dobrej klasy może apewnić małemu samochodowi miejskiemu asięg rędu kilometrów, co w porównaniu klasycnym napędem spalinowym jest dla wielu kierowców nieadowalające. Należy również wrócić uwagę na utrudnione ładowanie baterii wiąane wydłużonym casem i potrebą łatwego dostępu do źródła energii elektrycnej. Duże nadieje kładie sie w rowój technologii baterii litowo jonowych, które w prysłości mogą apewnić uyskanie odpowiednich parametrów energetycnych pry achowaniu dobrego współcynnika masy do pojemności. Roważa się również astąpienie tradycyjnych baterii pre estawy superkondensatorów, które charakteryują się długą żywotnością. Na chwilę obecną problem małego asięgu rowiąuje sie dobierając architekturę napędu hybrydowego tak, aby apewniając pełny komfort użytkowania pojadu maksymalnie obniżyć użycie paliwa. Kolejnym problemem pry projektowaniu napędu jest dobór algorytmu sterowania rodiałem mocy. Algorytm taki powinien wykorystywać optymaliacje wielokryterialną, uwględniając takie cynniki jak poiom naładowania baterii, typ cyklu jady, obciążenia ewnętrnych odbiorników energii, styl jady kierowcy ora dodatkowe obciążenia wynikające nachylenia drogi ora masy ładunku. Algorytm sterowania ora architektura napędu powinna być tak dobrana, aby apewnić maksymalne oscędności paliwa ora minimalne kosty produkcji pry uwględnieniu konkretnego prenacenia pojadu. Dodatkowo oprogramowanie sterownika napędu powinno apewniać optymalne wykorystanie potencjału baterii pry apewnieniu im odpowiednich warunków użytkowych determinowanych technologią ich produkcji. Obecność napędu elektrycnego umożliwia również wykorystanie go w reżimie pracy prądnicowej do odyskiwania energii kinetycnej w procesie hamowania. Pry hamowaniu regeneracyjnym należy roważyć możliwość wykorystania, superkondensatorów, które umożliwiają odyskiwanie nacnie więksych ilości energii. 7

8 Tysiące Suma Prius Civic Escape Highlander Camry Rysunek 3. Spredaż pojadów o napędie hybrydowym na rynku amerykańskim [4] Zalety napędów hybrydowych sprawiają, że cora więcej klientów decyduje się na ich akup (Rysunek 3). Predstawiciele najwięksego producenta na rynku (Toyota) ogłosili, że na prestreni najbliżsych lat planują więksyć produkcję swych hybrydowych modeli do poiomu miliona egemplary rocnie. Te plany obraują jak perspektywicny jest rynek pojadów hybrydowych, co potwierda asadność preprowadenia proponowanych badań. 1.. Charakterystyka napędów hybrydowych Napędem hybrydowym naywany jest układ, w którym współdiałają co najmniej dwa oddielne napędy wykorystujące różne źródła energii, których awycaj silnik spalinowy pełni rolę podstawową. Dięki takiemu rowiąaniu krótkotrwałe więksone apotrebowanie energii jest pokrywane pre współpracujące źródła energii, dięki cemu możliwym jest astosowanie silnika spalinowego o mniejsej mocy. Ponadto silnik spalinowy pracuje pry więksych preciętnych obciążeniach wględnych, tym samym jednostkowe użycie paliwa jest mniejse. Dodatkowym atutem jest możliwość wykorystania generatora elektrycnego do odyskiwania energii kinetycnej hamującego pojadu. Zastąpienie napędu konwencjonalnego napędem hybrydowym niesie sobą sereg koryści: możliwość odysku energii hamującego pojadu, akumulacja energii wynikającej nadmiaru mocy silnika spalinowego nad wartością chwilową mocy oporów ruchu, 8

9 stabiliacja mocy silnika spalinowego na określonym poiomie w całym cyklu jady, nacne ogranicenie emisji toksycnych składników spalin do atmosfery. Porównanie sprawności premiany energii baryłki oleju do energii mechanicnej koła napędowego dla pojadu spalinowego i pojadu elektrycnego wskauje na niewielką różnicę w całkowitej sprawności obu procesów. Tabela. Porównanie sprawności premiany energii baryłki oleju do energii mechanicnej koła napędającego dla pojadu spalinowego i pojadu elektrycnego [79] Napęd spalinowy Napęd elektrycny Sprawność [%] Sprawność [%] Max. Min. Max. Min. Baryłka oleju Baryłka oleju Rafineria (benyna) 9 85 Rafineria (olej napędowy) Wytworenie energii elektrycnej 4 33 Dystrybucja do stacji Presył do odbiorcy paliwowych 9 9 Ładowanie baterii 9 85 Baterie (lead acid) Silnik Silnik/sterownik 85 8 Skrynia biegów/oś Skrynia biegów/oś napędowa napędowa Koła napędowe Koła napędowe Całkowita sprawność Całkowita sprawność 14 Wykorystanie energii elektrycnej, jako źródła mocy niesie sobą jednak sereg dodatkowych koryści jak wykorystanie energii elektrowni atomowych cy odnawialnych źródeł energii. Zalety takich napędów są scególnie widocne podcas miejskiego cyklu jady, kiedy jada jest cęsto prerywana i następują nacące miany prędkości w krótkich okresach casu. W takich warunkach jady nacący wpływ na obniżenie użycia paliwa ma stabiliacja mocy silnika spalinowego w optymalnym akresie pracy. 9

10 1.3. Pregląd literatury Analiując literaturę dotycącą konstrukcji pojadów napędem hybrydowym i elektrycnym, daje się auważyć, że w ostatnim diesięcioleciu wrosło ainteresowanie wykorystaniem technik komputerowych w projektowaniu i optymaliacji algorytmów sterujących tego typu napędami. Procesy wiąane produkcją, użytkowaniem silników spalinowych ora elektrycnych są już dobre ponane [88][17][81][7][79], jednak połącenie ich w jednym wspólnie diałającym mechanimie niesie sobą nowe wceśniej niespotykane problemy. Pregląd literatury należy ropocąć od poycji opisujących dotychcasowy rowój pojadów elektrycnych i hybrydowych [4]. Analia dotychcas wytworonych rowiąań konstrukcyjnych powala określić kierunek prowadonych badań. Na etapie projektowania pomocnymi okaują się poycje opisujące aktualny stan technologicny rowiąań stosowanych w tego typu pojadach [88][45]. W opracowaniach tych predstawiono nie tylko aktualny stan wiedy w akresie rowiąań napędów hybrydowych, ale również opisano tematykę prowadonych prac rowojowych. Analia tej problematyki jest scególnie ważna w akresie silników elektrycnych ora asobników energii [53][87][14][15]. W akresie stosowanych silników elektrycnych daje się auważyć, że wrosło ainteresowanie astosowaniem silników magnesami trwałymi [7][6]. Zainteresowanie to wynika faktu, że są to masyny o najwyżsej sprawności i umożliwiają w prosty sposób rekuperację energii. Tego typu napędy stosuje się chętnie w pojadach, w których źródłem energii jest bateria akumulatorów np. w elektrycnych wókach inwalidkich cy skuterach elektrycnych. Należy unać a obserną literaturę wiąaną technologią magaynowania energii [45][53][87][14][15][84]. Poycje te opisują najnowse rowiąania w diedinie akumulatorów ora superkondensatorów ora ich sposobów wykorystania w pojadach hybrydowych. Daje to seroki pogląd na tematykę wiąaną pojadami hybrydowymi. Jest to jednak wciąż stosunkowa nowa i ciągle rowijana diedina techniki. Każdego roku pojawiają się nowe publikacje i opracowania w tym akresie. Pregląd konstrukcji pojadów o napędie elektrycnym i hybrydowym (arówno spalinowoelektrycnym jak i asobnikowym), elektromechanicnych układów napędowych wra analią ich energetycnych parametrów amiescono i omówiono w pracy [4]. Ważnymi poycjami literaturowymi są również prace [55][4] podejmujące ogólną tematykę wiąaną problematyką deficytu energii. Ciekawą dyskusję podejmują również autory opracowań [45][] predstawiając opisy napędów hybrydowych opartych o silniki asilane wodorem. Koncepcja ta ma duże sanse spopularyowania w prysłości, ponieważ jako jedyna gwarantuje jadę beemisyjną. W dniu disiejsym istnieją jesce ogranicenia technologicne i ekonomicne uniemożliwiające wprowadenie tego typu pojadów do spredaży. Dyskusja ta jest jednak wciąż aktualna w akresie rowiąań hybrydowych gdyż oparte one są o podobną architekturę i rowiąania po stronie układu elektrycnego. W pracy [44] wykaano oscędność energii i predstawiono analię kostów wiąanych użytkowaniem półciężarówek o napędie hybrydowym. Praca ta jest scegółową analią ekonomicną powalającą określić koryści płynące wykorystania 1

11 tego typu napędów do pracy w określonych cyklach jady. Wnioski płynące predstawionych w pracy anali są scególnie ważne e wględu na doświadcalny charakter preprowadonych badań ora bepośrednie odniesienie do pojadów o konwencjonalnym napędie. Z roku na rok pojawia sie cora więcej publikacji dotycących tematyki pojadów hybrydowych [9][][17][], jednak bardo radko predstawiane w nich opracowania są wspierane doświadceniami preprowadonymi na prototypowych rowiąaniach konstrukcyjnych. W Polsce tematyka ta jest podejmowana głównie w akresie ciężkich pojadów transportowych, a w scególności autobusów [8][85]. Ponadto polscy autory podejmują tematy wiąane astosowaniem alternatywnych źródeł energii w motoryacji [31][9][34][55][39][47], jednak brak jest literatury dotycącej budowy ora eksperymentalnych badań prototypów małych pojadów hybrydowych. Dodatkowo niewielu autorów porusa tematykę wykorystania silników wysokoprężnych w hybrydowych pojadach osobowych. Analia otrymanych danych powoli określić, jakie oscędności mogą płynąć astosowania napędów hybrydowych ora określić ekonomicną asadność konwersji małych samochodów osobowych. Opracowanie programu symulacyjnego wymaga anali poycji literaturowych wiąanych agadnieniami modelowania i symulacji napędu ora układu awiesenia samochodu [86][43][74][71][13]. Jako środowisko programistycne wybrano program Matlab Simulink [64][37]. Zagadnienia wiąane dynamiką jady samochodu ostały acerpnięte opracowań [78][58]. Prace te obejmują opisy matematycne dynamiki jady samochodu w adanych warunkach i cyklach jady. Na tej podstawie opracowano m.in. algorytmy obliceniowe siły oporowej. W pracy [13] predstawiono metody komputerowego modelowania emisji i roprestreniania się aniecysceń natomiast w pracy [6] predstawiono metodykę obliceń cieplnych silników samochodowych. Wnioski płynące anali skłoniły również do opracowania algorytmów opartych o doświadcalne mapy użycia paliwa, dięki cemu uyskano wydajny i wiarygodny algorytm powalający również na mianę obiektu badań. Wykonanie algorytmów sterujących wymagało aponania pracami [61][13][81], które opisują sposoby budowania algorytmów sterujących tego typu układami. W celu określenia asadności wykorystania materiałów termoelektrycnych do budowy generatora elektrycnego wykorystano informacje awarte w pracach [4] [63][73]. Prace te opisują charakterystykę ogniw termoelektrycnych ora ich potencjalne wykorystanie w pojadach. W pracy [63] predstawiono koncepcję budowy wymiennika termoelektrycnego prystosowanego do abudowy w układie wydechowym pojadu. Cora bardiej powsechnym poglądem jest serokie wykorystanie superkondensatorów, jako asobników energii elektrycnej w pojadach hybrydowych. Superkondensatory charakteryują się cechami prydatnymi w pojadach elektrycnych i hybrydowych. Ogólna charakterystyka, parametry ora prognoy rowoju tej technologii ostały opisane w pracach [53][87] natomiast opisy wykorystania tych podespołów pojadach użytkowych opisano w pracach [14][15]. Rowiąanie typu e4wd niesie sereg koryści międy innymi prostą adaptację pojadów napędem typu 4x4. Z tego powodu producenci wykorystują to rowiąanie do produkcji prototypowych pojadów testowych. Dodatkowo połącenie architektury napędu 11

12 4x4 bardo dobrymi parametrami trakcyjnymi silnika elektrycnego gwarantuje bardo dobre właściwości terenowe samochodu. Prace nad tego typu rowiąaniami były już podejmowane międy innymi pre Centrum Rowoju Fiata (CRF). Pry wykonywaniu testów doświadcalnych prototypowego pojadu wykorystano opisy i materiały awarte w publikacjach [76][9]. W pracach tych opisano metody pomiarowe ora cynności serwisowe wykorystane podcas prygotowywania samochodu do prac badawcych. W procesie projektowania układów mechanicnych podejmuje się sereg decyji, które powinny być decyjami optymalnymi. Onaca to, iż proces projektowania powinien być popredony procesem optymaliacyjnym. Z agadnieniami optymaliacji układów mechanicnych ma się do cynienia wówcas, gdy staje się wobec problemu technicnego posiadającego wiele możliwych rowiąań. Wybór odpowiedniej metody optymaliacji uależniony jest m.in. od formy matematycnego apisu rowiąywanego agadnienia. Jednak żadna metod nie jest najlepsa we wsystkich prypadkach i dlatego wykle achodi koniecność wypróbowania więcej niż jednej metody pry rowiąywaniu konkretnego agadnienia. 1

13 1.4. Konfiguracja napędów hybrydowych Wśród obecnych na rynku rowiąań można wyróżnić try podstawowe typy napędów hybrydowych: seregowe, równoległe ora miesane. Każdy tych typów charakteryuje się innymi walorami użytkowymi. Różnice wynikające ich budowy niosą e sobą sereg wad i koryści ależnych od prenacenia pojadu. Cechą charakterystycną napędów równoległych jest mechanicne połącenie pomiędy silnikiem spalinowym a kołami napędowymi pojadu (Rysunek 4). Zbiornik paliwa Silnik spalinowy Prekładnia Koła Zestaw baterii Układ sterowania Silnik elektrycny jedne Połącenie mechanicne Połącenie elektrycne Rysunek 4. Równoległy hybrydowy układ napędowy [18] Do alet równoległych napędów hybrydowych należy alicyć prostą budowę ora brak koniecności stosowania akumulatorów o dużych pojemnościach. Ponadto w porównaniu do napędów seregowych układ ten charakteryuje się więksą mocą maksymalną gdyż silnik spalinowy może być wspomagany pre silnik elektrycny. Nie jest również koniecnym astosowanie oddielnego generatora do ładowania akumulatorów. Brak koniecności pretwarania energii mechanicnej w elektrycną powala uyskać wyżsą sprawnością energetycną. W układach tych nie jest możliwe jednocesne ładowanie baterii i napędanie obu źródeł. Seregowy układ napędowy charakteryuje się brakiem mechanicnego połącenia pomiędy silnikiem spalinowym a kołami napędowymi (Rysunek 5). Dięki takiemu rowiąaniu silnik spalinowy pre więksą cęść cyklu jady pracuje w swoim optymalnym akresie pracy. Układ taki gwarantuje najwiękse oscędności paliwa jednak wiąże się e więksonym kostem akupu ora bardiej skomplikowaną budową. 13

14 Zbiornik paliwa Silnik spalinowy Generator Koła Zestaw baterii Układ sterowania Silnik elektrycny Prekładnia jedne Połącenie mechanicne Połącenie elektrycne Rysunek 5. Seregowy hybrydowy układ napędowy [18] Do innych alet seregowych napędów hybrydowych należy alicyć fakt, że silnik spalinowy nie pracuje na biegu jałowym, dięki cemu ogranicana jest ilość emisji wiąków toksycnych. Dodatkowo dięki możliwości pracy tylko w trybie elektrycnym pojady te mogą być wykorystywane w miastach i strefach o więksonych wymogach ochrony środowiska. Zbiornik paliwa Silnik spalinowy Generator Prekładnia Koła jedne Zestaw baterii Układ sterowania Silnik elektrycny Połącenie mechanicne Połącenie elektrycne Rysunek 6. Miesany hybrydowy układ napędowy [18] Innym typem są napędy hybrydowe miesane, które łącą e sobą cechy napędów równoległych i seregowych [Rysunek 6]. Odmianą tego typu napędów jest rowiąanie typu e4wd, cyli nieależny napęd na obie osie pojadu. Zaletą tego rowiąania jest duża elastycność i funkcjonalność napędu 14

15 1.5. Uwarunkowania rynkowe normy europejskie ora rynek paliw Od momentu wprowadenia do spredaży pierwsych modeli hybrydowych nalały one już serokie grono odbiorców. W samych Stanach Zjednoconych w preciągu ostatnich pięciu lat licba arejestrowanych samochodów o napędie hybrydowym więksyła się 9 do 15 stuk. W chwili obecnej na rynku oferowanych jest już kilkanaście modeli różnych producentów i roku na rok prybywa ich cora więcej [Tabela 3]. Tabela 3. Produkcja samochodów hybrydowych w preciągu ostatniej dekady Rok Modele Audi 1 Duo, Audi 8 Duo, Toyota Prius, Audi A4 Duo, Honda Insight Toyota Estima, Toyota Prius (USA) Mada Demio (Japonia), New Foyer DE6LF, Dyna Diesel Hybrid Japonia, Honda Civic 3 Renault Kangoo, Suuki Twin, Toyota Alphard, Toyota Prius II 4 Honda Accord Hybrid, Ford Escape Hybrid 5 Honda Civic Hybrid II, Lexus RX 4h Mercury Mariner, Toyota Kluger/Highlander Hybrid 6 Lexus GS 45h, Saturn VUE Green Line Toyota Camry Hybrid, Toyota Estim (Japonia) 7 Lexus LS6hL, Chevrolet Tahoe (jesień 7), GMC Yukon, Dodge Durango, Mada Tribute, Saturn Aura 8 Audi Q7, Ford Fusion Hybrid, Cadillac Escalade, Chevrolet Equinox, Chevrolet Malibu, Chevrolet Silverado, GMC Sierra Mercury Milan, Saturn VUE Green Line Toyota Sienna, Toyota Prius III, Volvo C3 Mimo ocywistych koryści, płynących mniejsego użycia paliwa, cena akupu samochodu hybrydowego jest wciąż nacąco wyżsa od ceny akupu konwencjonalnego pojadu. Z tego powodu rądy niektórych krajów stosują ulgi podatkowe wspierające rowój ekologicnych rowiąań. Poniżej predstawiono kilka prykładów takich programów rądowych [Tabela 4]. Tabela 4. Zachęty fiskalne dla kupujących samochody silnikiem hybrydowym Kraj Rodaj ulgi podatkowej Irlandia Zmniejsenie o 5 proc. podatku rejestracyjnego Dania Green owner tax ( Zielony podatek samochodowy ) oblicany na podstawie ilości emisji dwutlenku węgla wynosi około 4 DK w porównaniu 9 DK, jakie płaci się a Toyotę Corollę 1.3 (lub 9 DK a Corollę 1.6). Minimalny ysk dla posiadacy Priusa wynosi 167 DK. Francja Dla firm wartość księgowa Priusa może być amortyowana w ciągu jednego roku (normalnie okres ten wynosi pięć lat). Właściciele aut hybrydowych mogą mniejsyć wielkość podatku dochodowego o 154 euro. Wprowadenie podatku od emisji dwutlenku węgla dla aut wytwarających go w ilości ponad g/km ( euro a gram do 5 g/km ora 4 euro a każdy gram powyżej poiomu 5 g/km). Grecja Według obowiąującego obecnie prawa auta hybrydowe wolnione są podatków rejestracyjnych obowiąujących w Grecji (normalnie opłata wynosi 5 proc. wartości importowanegoauta). Auta hybrydowe wolnione są podatku od jady. Prius nie podlega ograniceniom ruchu obowiąującym w Atenach. Wielka Pojady hybrydowe są wolnione opłaty a wjad do centrum Londynu (5 funtów a dień, Brytania użytkownicy Priusa oscędają około 15 funtów rocnie). Cypr 5 proc. ulgi pry opłatach rejestracyjnych i podatku drogowym. Ulga energetycna: bepośredni fundus dla klientów kupujących auta hybrydowe wynosi około 1 euro. 15

16 Najwięksym rynkiem dla samochodów hybrydowych wciąż poostają Stany Zjednocone. Można to tłumacyć wysokim rowojem ekonomicnym ora pewną modą na promowanie ekologicnych rowiąań.. Aktualny rowój napędów hybrydowych Popularyacja pojadów hybrydowych na rynku samochodów osobowych prycynia się do rowoju technologii wiąanych ich produkcją. W dniu disiejsym producenci wsystkich licących się na rynku koncernów prowadą prace nad tego typu rowiąaniami. W efekcie, cego na rynku pojawiają się cora lepse i tańse komponenty, co powala sądić, że parametry użytkowe samochodów hybrydowych będą cora lepse..1. Rowiąania technicne elementów napędu hybrydowego.1.1. Silniki elektrycne Do podstawowych alet silników elektrycnych, biorąc pod uwagę astosowanie w transporcie osobowym, należy alicyć prede wsystkim cichobieżność, bardo dobrą dynamikę, dostępność wysokiego momentu napędowego już pry niskich prędkościach obrotowych ora bardo dobrą proporcję masy i wielkości do mocy. Dięki takim parametrom możliwym jest wyklucenie architektury pojadu takich elementów jak skrynia biegów cy spręgła. Również uyskanie biegu wstecnego nie wymaga mechanicnych prekładni. Silnik elektrycny lokalnie nie produkuje żadnych skodliwych substancji podcas pracy. Do astosowań w pojadach hybrydowych roważyć należy ctery rodaje silników (Rysunek 7): silniki scotkowe prądu stałego, silniki indukcyjne, bescotkowe silniki BLDC, silniki o miennej reluktancji. 16

17 Elektrycne silniki napędowe Prądu stałego Prądu miennego seregowe indukcyjne synchronicne bocnikowe obcowbudne o magnesach trwałych wirujące liniowe histereowe reluktancyjne krokowe wirującym polem Typowe reluktancyjne Z prełącaną reluktancją O magnesach trwałych Scególnie alecany krokowy synchronicny bescotkowy Rysunek 7. Podiał silników elektrycnych stosowanych w pojadach [66] O wybore rodaju silnika napędowego projektowanego pojadu decydują: dogodność charakterystyk mechanicnych, możliwość sterowania w obsare pracy silnikowej i prądnicowej, moc jednostkowa silnika, sprawność energetycna, nieawodność, kost. Właściwości trakcyjne samochodu elektrycnego dają mu dodatkową prewagę nad samochodami napędem spalinowym użytkowanym w cyklu jady miejskiej [Tabela 5]. Wynika to e specyficnego prebiegu charakterystyki momentu obrotowego silnika elektrycnego w porównaniu silnikiem spalinowym. Silnik elektrycny wytwara swój maksymalny moment obrotowy już pry roruchu, pry minimalnej prędkości obrotowej. Nie 17

18 wymaga on stosowania spręgła, a także apewnia bardiej korystne niż w prypadku silnika spalinowego właściwości dynamicne, ależne w ruchu miejskim od momentu obrotowego, a nie od jego mocy. Tabela 5. Zalety i wady silników elektrycnych wykorystywanych w pojadach elektrycnych i hybrydowych [1] Typ silnika Sprawność Gęstość mocy Maks. Prędkość Obr. Nieawodność Konserwacja Stopień rowoju Kost silnika Kost kontrolera Całkowity kost Recykling Zast. Obecnie w EV Zast. W prysłości Synchronicny AC o Z prełącaną reluktancją AC o + + o o Bescotkowy DC o - o Obcowbudny DC o - ++ bardo dobry, + dobry, o brak wpływu, - ły, -- bardo ły Silniki prądu stałego są stosowane w elektrycnych samochodach osobowych i dostawcych, w wókach magaynowych i preładunkowych, w autobusach, a także w ciężkich pojadach transportowych. Silniki prądu premiennego trójfaowego wymagają stosowania łożonych układów sterujących i pretwarających energię pobieraną akumulatorów. Silniki prądu stałego są łatwiejse do sterowania i dlatego ich sterowniki elektronicne są tańse, ale silniki te są ciężkie i duże. Silniki prądu premiennego i ich sterowniki mają wykle więksą sprawność w sersym akresie pracy, lec powodu bardo skomplikowanej elektroniki są drogie..1.. Akumulatory Podstawowym problemem do rowiąania, który wciąż ogranica rowój napędów hybrydowych jest magaynowanie energii potrebnej do napędenia samochodu osobowego, pry apewnieniu odpowiedniego asięgu i dynamiki [Tabela 6]. Ocywiście istnieje już technologia powalająca na produkcję wydajnych magaynów energii jednak te produkty są jesce bardo drogie i niedostępne. Akumulatory dostępne na rynku nie apewniają odpowiednich pojemności ponadto są ciężkie i duże. Zestaw akumulatorów o pojemności wystarcającej do asilania samochodu osobowego o masie jednej tony ważyłby ponad 35 kg. Z tych powodów konstruktory postawili na napędy hybrydowe, które łącą w sobie alety obu rowiąań. 18

19 Tabela 6. Właściwości akumulatorów energii [1] Właściwości Akumulator kinetycny hydropneumatycny Elektrochemicny Gęstość energii [kj/kg] 3-1 (36).9-3, 7-4 Gęstość mocy [W/kg] Be ograniceń Sprawność magaynowania: okres krótki (+) (+) (++) Okres długi (--) (+) (o) Sprawność premiany (+) (-) (-) Okres użytkowania (++) (++) (--) Dopuscalne preciążenia (+) (+) (--) Nieawodność (+) (+) (-) Brak koniecności (+) (+) (--) konserwacji Łącny kost (+=niski) (+) (-) (--) Legenda: (++) doskonały, (+) dobry, (o) średni, (-) ły, (--) bardo ły Obecnie w premyśle samochodowym stosuje się najcęściej następujące rodaje ogniw [Tabela 7Tabela 6]: akumulatory ołowiowo-kwasowe, akumulatory Ni-Cd, akumulatory Ni-MH, akumulatory litowo-jonowe, akumulatory cynk-powietre, wysokotemperaturowe akumulatory Na-NiCl, ogniwa paliwowe. Tabela 7. Wady i alety akumulatorów elektrochemicnych [67] Zalety Wady Akumulatory kwasowo-ołowiowe Niska cena Mała grawimetrycna gęstość energii Duża licba cykli pracy Spadek mocy wra e mniejseniem się naładowania akumulatora Łatwo dostępny Mała pojemność w niskich temperaturach Łatwy w eksploatacji Ogranicona możliwość sybkiego ładowania Łatwość odysku energii Akumulatory niklowo-kadmowe Duża licba cykli pracy Użycie bardo kostownego kadmu Wysoka moc, nawet po cęściowym wyładowaniu Utrudnione ładowanie w wysokich temperaturach Bardo dobra w niskich temperaturach Obecnie trudności w uscelnianiu cel Możliwość sybkiego ładowania Efekt pamięci (koniecność całkowitego roładowania) Akumulatory nikiel-wodorotlenek metali Gęstość energetycna więksa niż NiCd Kostowniejse niż NiCd Dobre diałanie w niskich temperaturach Użycie metali radko występujących Bardo wrażliwa na wysokie temperatury Akumulatory litowy-stały polimerycny elektrolit Duża grawimetrycna gęstość energii Relatywnie mała objętościowa gęstość energii Mała moc w temperature pokojowej (temperatura pracy 8-1) Niemożliwość sybkiego ładowania Akumulatory litowo węglowe (ciekły elektrolit) Duża grawimetrycna gęstość energii Wysoki kost Niemożliwość sybkiego ładowania Kwestionowane bepieceństwo 19

20 Akumulator kwasowo-ołowiowy, w którym elektrolitem jest rotwór kwasu siarkowego, katoda wykonana jest ołowiu, w formie siatki, natomiast anoda jest wykonana tlenku ołowiu(iv) PbO immobiliowanego na ramce ołowianej tego rodaju akumulatory są masowo wykorystywane w samochodach. Zaletą akumulatora ołowiowego jest dolność roładowania dużym prądem pre krótki cas, prostota układu ładowania, niska cena w stosunku do pojemności. Wadą jest nacna masa prypadająca na jednostkę pojemności. Tabela 8. Porównanie podstawowych parametrów różnych akumulatorów Rodaj ogniwa Zasięg [km] Wpływ na środowisko Kost [$/Wh] Pojemność [Wh/kg] Ołowiowo -kwasowe Niwodorek metalu Cas ładowani a Odporność na licbę cykli 6-1 3h Toksycne,1-, Ni-Cd 115 6% w 15 min resta w h 6% w 15 min resta w h Sód siarka 1 6h Cynk powietre 3 Litowojonowe min., ale wymagają stacji obsługi 3h Nietoksycne Toksycne,5-1, Ryykowne w użyciu Temp. Pracy [ C] -1 do 6 - do 6-4 do 6 Napięcie [V] Samoroładowanie [%/miesiąc],1 5 1, 3 1,, B.d. 1,5,5 Nietoksycne,15-, B.d. 1,5,5 Ryykowne w użyciu B.d B.d. - do 6 3,6 1 Akumulator NiMH jest to ulepsona odmiana akumulatorów NiCd, w których jedna elektrod jest wykonana niklu, aś druga elektroda e spieku metali iem radkich w atmosfere wodoru. Rolę kluca elektrolitycnego spełnia gąbcasta struktura nasącona substancjami alkalicnymi ora łożonym chemicnie kataliatorem. System elektrochemicny jest dolny do absorpcji wydielających się podcas ładowania gaów, scególnie wodoru, dięki cemu akumulator może być całkowicie scelny i charakteryować się długą żywotnością. Akumulator Li-Ion, w których jedna elektrod jest wykonana porowatego węgla a druga tlenków metali, aś rolę elektrolitu pełnią łożone chemicnie sole litowe ropuscone w miesaninie organicnych ropuscalników. Akumulator litowo-polimerowy odmiana akumulatorów Li-Ion, w których ciekły elektrolit jest astąpiony stałym elektrolitem polimerowym wykonanym np. gąbek na baie poliakrylonitrylu.

21 .1.3. Materiały termoelektrycne Zastosowanie silnika elektrycnego, jako głównego źródła napędu pojadu hybrydowego stwara sereg nowych możliwości w kwestii odyskiwania traconej energii. Prykładowo wykorystanie silnika, jako generatora podcas hamowania powala na odyskanie energii kinetycnej, która w konwencjonalnym pojeźdie ostałaby utracona pod postacią ciepła na tarcach hamulcowych [Rysunek 8]. Rysunek 8. Straty energii w konwencjonalnym układie napędowym Robudowany system elektrycny pojadu hybrydowego powala jednak myśleć o dalej idących mianach mających na celu polepsenie ogólnej sprawności pojadu. Jednym ciekawsych rowiąań jest astosowanie nowocesnych materiałów termoelektrycnych do odyskiwania energii traconej pod postacią ciepła w wyniku procesu spalania miesanki paliwowej w cylindrach silnika [Rysunek 9]. Rysunek 9. Prykładowy rokład temperatury pojadu osobowego podcas postoju [6] 1

22 Najwiękse ilości energii są tracone pod postacią rogranych spalin. Jak wynika badań [69] 1% tej energii można odyskać dięki astosowaniu materiałów termoelektrycnych, które abudowane w odpowiednich miejscach układu wydechowego będą pretwarały energię cieplną gaów wylotowych na energię elektrycną, która następnie ostanie wykorystana do ładowania estawu akumulatorów pojadu. Dięki temu rowiąaniu można spodiewać się poprawienia sprawności całego układu napędowego nawet o %. Do alet systemów wykorystujących materiały termoelektrycne należy alicyć begłośną pracę, wysoką żywotność ora brak ruchomych elementów mechanicnych. Do wad należy alicyć niską sprawność, a co a tym idie niskie prądy uyskiwane podcas procesu odysku. Jednak wiele ośrodków naukowych pracuje nad usprawnieniem tego procesu. Ostatnie osiągnięcia naukowców Boston College ora MIT powalają mieć nadieję, że w niedługim casie na rynku będą dostępne tanie termogeneratory, prenacone również do astosowań w premyśle samochodowym. Rowój tej technologii jest scególnie motywowany potencjalnym astosowaniem we wselkiego typu chłodiarkach ora lodówkach. Już na chwilę obecną nowocesne materiały termoelektrycne są w stanie konkurować tradycyjnymi układami kompresorowymi. Producenci samochodowi prowadą prace nad generatorami opartymi na tej technologii, które astąpią seroko stosowane alternatory, co powoli na oscędności paliwa rędu 5% Hamowanie regeneracyjne Zastosowanie silnika elektrycnego w układie napędowym powala na wykorystanie energii kinetycnej traconej podcas hamowania. Możliwość pracy silnika elektrycnego w reżimie pracy prądnicowej powala odyskać cęść energii normalnie traconej w postaci ciepła. Opróc odysku energii dodatkowym atutem jest fakt więksenia żywotności klocków hamulcowych. Pryjmując, że masa pojadu wynosi 9 kg a maksymalna prędkość wynosi 75 km/h to podcas hamowania pojadu prędkości maksymalnej do era można odyskać 55,41 W. Należy pamiętać, że każdy akumulator charakteryuje się pewną dolnością do pryjmowania energii. Zastosowanie superkondensatorów powala w bardo sybkim casie pryjąć duże ilości energii i następnie oddać ją do akumulatora głównego Superkondensatory Kondensatory dwuwarstwowe powalają na magaynowanie ładunku rędu tysięcy faradów. Powala to na astosowanie go do gromadenia ładunku elektrycnego w aplikacjach samochodowych, pry cęstym roładowaniu prawie do V. Superkondensatory są najmniej badanymi urądeniami magaynującymi energię elektrycną. Podcas małego apotrebowania mocy akumulator może doładować kondensatory natomiast gdy jest potrebna moc do pryspiesania, akumulator może być wspomagany pre ultrakondensator.

23 Rysunek 1. Moduł superkondensatorów USABC (U.S. Advanced Battery Consortium) ustanowiło minimalne wymagania dla ultrakondensatorów do astosowań w napędach hybrydowych. Te wymagania to gęstość mocy na poiomie 95 W/dm 3 ora 7 W/kg mocy właściwej. Napięcie uyskiwane pojedyncego układu jest ogranicone, dlatego aby spełnić wymagania pojadów hybrydowych należy połącyć wiele pojedyncych jednostek [Rysunek 1]. Obecnym problemem jest występowanie efektu samo roładowań podcas nierównoważonego prepływu prądu w pakietach Połącenie mechanicne dwóch silników Prekładnią obiegową naywa się taką prekładnię, w której co najmniej jedno koło, wane kołem obiegowym lub satelitą, nie ma stałej osi obrotu, lec jest ułożyskowane w obracającej się cęści wanej jarmem lub ramieniem. Koło obiegowe wykonuje ruch unosenia wra jarmem i jednoceśnie obraca się wględem jarma. Koła, których osie obrotu leżą na osi obrotu jarma (głównej osi prekładni), nosą nawę kół osiowych lub środkowych; jedno tych kół jest unieruchomione. Spośród wielu metod wynacania prełożenia prekładni obiegowych (wykreślno analitycna, chwilowych środków obrotu, chwilowych osi obrotu dla prekładni obiegowych stożkowych, dodawania prędkości wględnych - Swampa) omówiona ostanie metoda obrotów wględnych [Rysunek 11]. j j j Rysunek 11. Wynacanie prełożenia prekładni obiegowej metodą Willysa 1 koło centralne, - koło obiegowe, 3 - jarmo 3

24 Dwa skrajne koła prekładni mają prędkości kątowe ω 1 i ω, a prędkość kątowa jarma wynosi ω j. Nadając całemu układowi prędkość kątową ω j jarmo atryma się, ale ruch wględny kół 1 i wględem jarma nie ulegnie mianie. Cały układ można traktować jak wykłą prekładnię równoległą o stałych osiach obrotu, pry cym prędkości kątowe kół wyniosą ω 1 - ω j ora ω ω j. Prełożenie prekładni równoległej onacono pre i 1- (wskaźniki 1- określają pryjęty kierunek prekaywania ruchu). 1 j (1) 1 1 j i Wór można uogólnić dla prekładni obiegowej składającej się m kół ębatych i 1m m j nm n j n n 1 j Wór wiąże międy sobą prełożenie kierunkowe i 1-m prekładni równoległej, jakie występowałoby pry atrymanym jarmie, prędkości kątowe kół pierwsego ω 1 i ostatniego ω m ora prędkość kątowa jarma ω j. Prekładnie obiegowe mogą być również wykorystane do stopniowej miany prędkości. Mimo łożonej konstrukcji mają one tę cenną aletę, że umożliwiają prełącanie prędkości w casie ruchu. 1 j () Rysunek 1. Napęd dwusilnikowy a pośrednictwem prekładni obiegowej Spośród innych możliwości astosowania prekładni obiegowych można wymienić napęd dwusilnikowy [Rysunek 1], który powala na włącanie silników oddielnie (w casie, gdy jeden silnik pracuje, drugi jest ahamowany) albo równoceśnie (prekładnia pracuje, jako sumująca). Silniki mogą mieć różne moce i prędkości obrotowe, albo mogą to być silniki 4

25 wielobiegowe, co powala na otrymanie kilku prędkości obrotowych na wyjściu możliwością ich automatycnego prełącania podcas pracy układu. Mechanimy sumujące mają dwa stopnie swobody wględnej [Rysunek 13]. Można do nich wprowadić dwie wielkości ruchowe na wejściu, otrymując w wyniku prekstałcenia i łożenia wewnątr mechanimu jedną wielkość na wyjściu Rysunek 13. Schematy blokowe prekładni obiegowej ora prekładni sumującej Zależność międy wielkością wyjściową i wielkościami wejściowymi wyrażając następujące równania ogólne: - dla prekładni obiegowej - dla prekładni sumującej Y i xy X (3) Gdie: Y Y Y i X i 1 x y1 1 x y 1 X (4) i xy, i x1y1, i xy, - prełożenia określone stosunkiem składowej wielkości wyjściowej od odpowiadającej jej wielkości wejściowej. Jeżeli nieruchome koło prekładni obiegowej ostanie odblokowane, a nadane ostaną ruchy o prędkościach obrotowych n 1 i n dwóm elementom prekładni, otrymuje się prekładnię sumującą. Do prekładni sumujących można stosować wór Willisa w którym, inacej niż w prekładniach obiegowych żadna wielkości ω 1, ω m, ω j nie równa się eru. i 1m m j nm n j n n 1 j Prekładnia obiegowa składa się kół głównych, wanych również centralnymi lub słonecnymi ora kół obiegowych ainstalowanych na jarmie. Taka budowa prekładni powala na uyskanie trech prędkości obrotowych na wale wyjściowym. 1 j (5) 5

26 .. Testy hybrydowych samochodów dostawcych UPS Badania hybrydowych pojadów dostawcych [Rysunek 14] ostały preprowadone na lecenie amerykańskiego departamentu ds. energii. Testy były preprowadane pre rok na seściu prototypowych pojadach. Pre ten okres ebrano ora preanaliowano dane dotycące kostów, serwisowania, emisji substancji toksycnych, użycia paliwa ora osiągów. W testach wykorystano seść pojadów hybrydowych (P7H) ora seść o standardowym napędie (P7D). Dane były gromadone na podstawie sygnałów cujników GPS ainstalowanych w samochodach ora informacji o tankowaniu i serwisowaniu [44]. Akumulatory Inwerter Napęd hybrydowy Eaton Silnik Spręgło Silnik/ Generator Skrynia biegów Układ sterowania Oprogramowanie MFR ora Truck OEM Rysunek 14. Napęd hybrydowy konstrukcji firmy Eaton Wyniki preprowadonych testów [Rysunek 15] wskaują na to, że użycie paliwa w prypadku pojadów hybrydowych są o 8.9% (4.4 do 18. l/1km) niżse niż pojadów standardowych. Całkowity kost utrymania na prejechaną milę był o 8% niżsy dla pojadów hybrydowych ($.14 do $.15). Nieawodność pojadów hybrydowych w całym teście oceniono na 95.5% w stosunku do 99.3% dla pojadów silnikami diesla [44]. 6

27 Zużycie paliwa *l/1km Diesel Diesel łącnie Hybrydowe Hybrydowe łącnie Rysunek 15. Wyniki użycia paliwa podcas 1 miesięcnego testu [l/1km] Wyniki ostały porównane wynikami testów pojadów silnikami diesla, które również brały udiał w pomiarach. Analiy miały na celu określenie ekonomicnej asadności wykorystania pojadów hybrydowych w transporcie lekkim. Biorąc pod uwagę cęstotliwość i charakterystykę pokonywanych tras oscędności wynikające wykorystania tego typu napędu mogą być nacące. Tabela 9. Dane statystycne opracowane na podstawie sygnałów cujników GPS [44] Statystyki cyklu Diesel Hybrid Różnica (Diesel- Hybryda) % Różnicy Prebyta droga [km] Średnia prędkość [km/h] Prędkość maksymalna [km/h] Bieg jałowy [s] Maksymalne pryspiesenia [m/s ] Średnie pryspiesenia [m/s ] Pryspiesanie [%] Hamowanie [%] Zatrymania Długość postoju [s]

28 Tabela 1. Podsumowanie wyników użycia paliwa [44] Samochody hybrydowe Samochód Dystans [km] Zużycie paliwa [litry] l/1km , , , , , , Hybrydowe łącnie Diesel Samochód Dystans [km] Zużycie paliwa [litry] l/1km , , , , , , Diesel łącnie , Wyniki preprowadonych testów Tabela 1 wskaują na niżse średnie użycie paliwa w prypadku samochodów hybrydowych. Średnie użycie jest o 5,1 l/1km niżse od samochodów silnikami wysokoprężnymi [44]. Potwierda to asadność preprowadenia testów. Kolejnym etapem testów było porównanie kostów wiąanych utrymaniem i serwisowaniem samochodów [Tabela 11]. Tabela 11. Podsumowanie kostów utrymania [44] Hybrydowe kosty całkowite Hybrydowy kosty wiąane napędem Diesel kosty całkowite Diesel kosty wiąane napędem Kilometrów Kosty cęści Cas pracy Kosty utrymania Kost na kilometr [$/km] $ $14148 $ $ $3485 $ $ $196 $ $ $4594 $.36 Na potreby badań wynacono try typowe cykle jady CILCC [Rysunek 16], WVU [Rysunek 17] ora CBD [Rysunek 18]. Cykle te wykorystano do porównania emisji toksycnych wiąków do atmosfery dla pojadów silnikiem diesla ora pojadów napędem hybrydowym. 8

29 Rysunek 16. Cykl jady typu CILCC (Combined Local and Commuter Cycle) [44] Rysunek 17. Cykl jady typu WVU City (West Virginia University City Cycle) [44] Rysunek 18. Cykl typu CBD (Central District Cycle) [44] 9

30 Tabela 1. Wyniki testów [44] CILCC WVU City CBD CO [gram/km] NOx [gram/km] THC [gram/km] CO [gram/km] PM [gram/km] Diesel Hybrid Hybrid Diesel Hybrid Hybrid Diesel Hybrid Hybrid %diff %diff %diff % % % % % % % % % Miesięcne kosty utrymania testowanych samochodów hybrydowych były o % niżse niż pojadów silnikami diesla. Zużycie paliwa samochodów hybrydowych było o 8.9% niżse niż pojadów konwencjonalnych. Kosty utrymania i serwisowania układów napędowych obu grup pojadów były porównywalne. Zaobserwowano również redukcję emisja takich gaów toksycnych jak CO, THC, CO, PM jednak aobserwowano również wrost NOx [Tabela 1]. Testy laboratoryjne wskaywały na oscędności rędu 31%-37% [44]..3. Prykłady astosowań Jedną firm oferujących rowiąania hybrydowe jest polski producent autobusów Solaris. Model Urbino 18 jest pojadem hybrydowym baującym na stalowym skielecie typowym dla niskopodłogowych autobusów miejskich [Rysunek 19]. Konstrukcja napędu hybrydowego autobusu wykorystuje połącenie dwóch źródeł energii: wysokoprężnego silnika spalinowego ora silników elektrycnych. Układ napędowy ostał umiescony w pierwsym cłonie autobusu i napęda środkową oś pojadu. Sercem napędu hybrydowego jest prekładnia Allison Ep5 [Rysunek ] [8]. Rysunek 19. Autobus hybrydowy Solaris Urbino 3

31 W skład napędu Allison EP 5 wchodą: dwa silniki elektrycne, dwa spręgła synchronicne i try prekładnie planetarne. System ten jest odpowiedialny a sumowanie momentów silnika spalinowego i silników elektrycnych. Element ten waży 417 kg i wyglądem prypomina tradycyjną skrynię biegów. Jest on produkowany pre amerykański koncern Allison Transmission ściśle współpracujący General Motors Corporation. Firma ta jest światowym liderem w akresie projektowania, produkcji i spredaży skryń automatycnych, napędów hybrydowych ora cęści prenaconych do astosowania w ciężarówkach ora autobusach. Rysunek. Napęd hybrydowy EP5 Budowa napędu hybrydowego powala na odyskiwanie energii hamowania, która następnie gromadona jest w akumulatorach niklowo-metalowo-wodorowych. Akumulatory te umiescone są na dachu pojadu, a ich łącna masa wynosi 437 kg. Jednym ważniejsych elementów układu elektrycnego jest DPIM (Dual Power Inverter Module). DPIM składa się dwóch modułów pretwornic AC/DC DC/AC, które ważą w sumie 75 kg. Całością steruje układ łożony dwóch modułów firmy Allison serii 1/. Pierwsy moduł kontroluje i arąda pracą napędu, drugi aś odpowiada a współpracę innymi układami napędu. Badania firmy Allison Transmission wykaują, że autobus hybrydowy w porównaniu analogicnym autobusem wyposażonym w identycny silnik Diesla powala oscędić -43% paliwa, emituje 1-39% mniej NOx ora 51-97% cąstek stałych. Ponadto napęd hybrydowy powala na predłużenie żywotności niektórych podespołów [8]. W segmencie aut osobowych najpopularniejsym modelem jest Toyota Prius. Jest to pierwsy masowo produkowany i spredawany samochód osobowy tego producenta napędem hybrydowym. Pierwsa generacja samochodu (NHW1) pojawiła się w 1997 roku w Japonii. Obecnie w spredaży najduje się już trecia generacja samochodu (NHW3) [5]. 31

32 Prekładnia planetarna Silnik spalinowy 3 78 m Silnik elektrycny W 3 Generator Rysunek 1. Układ napędowy Toyota Prius Hybrydowy układ napędowy składa się następujących elementów [Rysunek 1]: silnik spalinowy o pojemności 1497 ccm, pracujący według obiegu Atkinsona, prądnica, bateria NiMH o mocy 8 KM (1 kw) i napięciu maksymalnym 1 V, silnik elektrycny prądu premiennego o mocy 67 KM (5 kw) i napięciu maksymalnym 5V. Wykorystanie silnika spalinowego o obiegu Atkinsona powala uyskiwać lepsą sprawność pracy w akresie średnich obrotów. Obieg Atkinsona charakteryuje się tym, że kiedy acyna się suw sprężania awory są wciąż otwarte. Zawory amykają się pewnym opóźnieniem, dlatego proces sprężania ostaje skrócony. Wpływa to korystnie na obniżenie średniego użycia paliwa jednak nie powala na osiąganie wysokich mocy nominalnych [Tabela 13]. Tabela 13. Parametry użytkowe samochodu Toyota Prius [5] Silnik spalinowy Benynowy, rędowy 1497 ccm Moc 78 KM pry 58 obr/min Moment obrotowy 115 Nm pry 4 obr/min Silnik elektrycny Napięcie 5 V Moc 68 KM pry obr/min Moment obrotowy 4 Nm pry -1 obr/min Skrynia biegów Automatycna, bestopniowa Prędkość maksymalna 17 km/h Zużycie paliwa 4,3 l/1km 3

33 Pracą całego układu steruje Hybryd Synergy Driver System. Steruje on rodiałem mocy w ależności do panujących warunków i wymagań użytkownika [Rysunek ]. Po uruchomieniu samochodu w trakcie postoju silnik spalinowy jest wyłącony a silnik elektrycny poostaje w stanie gotowości. Rysunek. Schemat układu sterowania Hybrid Synergy Drive [5] Silnik elektrycny jest używany podcas rusania ora jady pry niskich prędkościach. Silnik elektrycny korysta energii gromadonej w układie baterii. Silnik spalinowy jest wykorystywany jedynie w prypadku, gdy stopień naładowania baterii jest niewystarcający [Rysunek 3]. Rysunek 3. Praca napędu w akresie niskich prędkości pojadu [5] W prypadku, gdy poiom naładowania baterii jest niewystarcający do kontynuowania dalsej jady, komputer pokładowy włąca silnik spalinowy, który dostarca energii do silnika elektrycnego jednoceśnie ładując baterie [Rysunek 4]. Rysunek 4. Proces ładowania baterii [5] 33

34 Podcas dużych pryspieseń silnik spalinowy napęda prądnice, która wspomaga baterię pry asilaniu silnika elektrycnego, który popre prekładnię prekauje napęd na koła [Rysunek 5]. Rysunek 5. Praca napędu pry pryspiesaniu [5] Podcas jady e stałą prędkością silnik spalinowy napęda prądnicę asilającą silnik elektrycny, który popre prekładnię prekauje napęd na koła [Rysunek 6]. Rysunek 6. Praca układu pry stałej prędkości [5] Dięki astosowaniu hamulca dynamicnego istnieje możliwość odyskiwania energii kinetycnej podcas wytracania prędkości pojadu. Hamulec ten prekauje energię popre prekładnię ora silnik elektrycny do estawu baterii [Rysunek 7]. Rysunek 7. Hamowanie regeneracyjne [5] Głównym elementem napędu pojadu jest prekładnia sumacyjna, której adaniem jest odpowiedni rodiał mocy układu. Prekładnia jest sprężona elektronicnym układem 34

35 sterującym, który pry udiale aimplementowanych algorytmów steruje pracą układu. Prełożenia układu są opisane poniżsymi worami. (6) Prykładem równoległego hybrydowego układu napędowego jest układ stosowany w samochodach Hondy. Honda podjęła się produkcji samochodu hybrydowego w 1999 roku modelem Insight. Nie odniósł on jednak dużego sukcesu. Honda jednak kontynuuje próby kolejnymi modelami hybrydowymi. Na chwilę obecną w ofercie firmy najduje się kilka modeli hybrydowych w tym sportowy model CR-Z. Inżynierowie Hondy preferują równoległą architekturę napędu, co powala obniżać kosty produkcji [Rysunek 8]. Silnik spalinowy napęda koła pojadu pre więksy okres casu, jedynie gdy występuje więksone apotrebowanie na prąd wykorystywany jest silnik elektrycny. W preciwieństwie do koncepcji Toyoty nie ma możliwości, aby silnik elektrycny był jedynym źródłem mocy napędowej [5]. Rysunek 8. Hybrydowy układ napędowy Hondy Innym prykładem budowy napędu hybrydowego [Rysunek 9] jest BMW X3 Efficient Dynamic. Prototypowy samochód BMW X3 wyposażono w 6-cylindrowy silnik benynowy bepośrednim wtryskiem. W miejscu spręgła hydrokinetycnego umiescono silnik elektrycny o mocy do 6 kw/8 KM i momencie obrotowym do 4 Nm. Samochód rusa, korystając silnika elektrycnego. Silnik spalinowy dołąca się pry pewnej minimalnej prędkości [49]. 35

36 Rysunek 9. Romiescenie elementów napędu hybrydowego w pojeźdie [57] 1 silnik elektrycny, automatycna skrynia biegów, 3 estaw kondensatorów, 4- sterownik systemu Inżynierowie BMW reygnowali akumulatorów tradycyjnie stosowanych w układach hybrydowych (np. niklowo-wodorowych) na rec sybko roładowujących się kondensatorów, które umiescono w progach pojadu. Napędy hybrydowe dobywają również cora więksą popularność wśród producentów samochodów sportowych. Niemiecki koncern Porsche apreentował prototyp hybrydowego napędu [Rysunek 3], którego podstawową jednostką napędową jest 6- cylindrowy silnik w układie V o pojemności 36 cm3 bepośrednim wtryskiem benyny. Rowija on moc 8 KM, a także współpracuje elektrycną jednostką napędową o mocy 5 KM [51]. Rysunek 3. Układ hybrydowy samochodu Porshe Cayenne [88] 1 silnik elektrycny, siłownik umożliwiający wyłącanie pracy silnika benynowego, 3 akumulator 36

37 W skład układu wchodi ponadto akumulator o dużej pojemności. Układem w ależności od apotrebowania na moc i stanu naładowania akumulatora arąda centralny moduł sterujący. Podcas każdego hamowania silnik elektrycny diała jak prądnica, a energia jest gromadona w akumulatorach. Wykorystanie napędu hybrydowego powoliło uyskać spalanie na poiomie 9,8l/1km, podcas gdy ten sam model pojadu konwencjonalnym napędem spala 15 l/1km [88]. Prykładem nowocesnego pojadu elektrycnego jest samochód Tesla Roadster [Rysunek 31]. Projekt komercyjnej wersji tego pojadu powstał w 8 roku pry współpracy biurem konstrukcyjnym nanej europejskiej marki sportowej Lotus. Samochód wyposażony jest w trójfaowy silnik elektrycny o mocy 5 KM. Samochód charakteryuje się bardo dobrymi parametrami dynamicnymi ora rosądnymi parametrami użytkowymi. Zasięg pry naładowanych bateriach wynosi 35 km, a żywotność układu napędowego sacuje się na 16 kilometrów [91]. Rysunek 31. Tesla Roadster [91] Po wielkim sukcesie rynkowym pierwsego modelu firma ropocęła już prace nad kolejnym pojadem elektrycnym. Ocekuje się, że produkcja nowego modelu powinna w najbliżsych latach prekrocyć stuk rocnie..4. System KERS KERS (Kinetic Energy Recovery System) jest systemem wykorystywanym w wyścigach formuły 1 do odysku energii kinetycnej pojadu podcas hamowania. Urądenie mieści się w obudowie nad skrynią biegów i powala gromadić energię kinetycną, jakiej nadwyżka pojawia się pry każdym hamowaniu [Rysunek 3]. Następnie 37

38 energia ta może ostać prekaana powrotem do układu napędowego podcas pryspiesania bolidu. Według FIA na każdym okrążeniu ma być odyskiwanych 4 kj energii. Jej prekaanie na koła pry pryspiesaniu apewnia dodatkowo 8 KM w ciągu 6,67 s. Energia odyskana podcas hamowania jest gromadona w wirującym ogromną prędkością kole amachowym. Rowiąanie cysto mechanicne odnaca się sprawnością na poiomie 65 7%, podcas gdy amiana energii kinetycnej na elektrycną i gromadenie jej w akumulatore powoduje, że sprawność spada do 35 45%. Sercem urądenia KERS jest specjalna prekładnia, pełniąca jednoceśnie funkcję spręgła, umożliwiając włącenie prekaywania napędu na koło amachowe w odpowiedniej chwili. W jej konstrukcji wykorystano współpracę kół o toroidalnym arysie, które powalają na płynną mianę prełożenia (CVT Continously Variable Transmission). Rysunek 3. Elementy układu KERS [69] Wariator CVT waży aledwie 5 kg, co powoduje, że nadaje się do astosowań w sporcie. Sercem mechanimu odysku energii KERS jest podwójna prekładnia bestopniowa, powalająca na płynną mianę obrotów pomiędy skrynią biegów a kołem amachowym gromadącym odyskaną energię..5. Stanowisko do badań napędów hybrydowych Tematyka napędów hybrydowych jest aktualna i cora bardiej powsechna, dięki cemu podejmowanych jest cora więcej prac naukowych wiąanych tą diediną. Prace te dotycą również wykorystania tego typu rowiąań w masynach robocych. Badania dowodą, że 3% kostów eksploatacji masyn robocych to kosty paliwa. W procesie eksploatacji masyn, do cynników mających wpływ na użycie paliwa można alicyć: doskonalenie techniki oscędnego operowania masyną, ścisłe prestreganie wymagań obsługi technicnej, odpowiednią organiację pracy. 38

39 Ponadto bardo istotne jest podwyżsenie efektywności systemów sterowania mechanimami robocymi ora możliwość odysku energii arówno w procesie rekuperacji energii jak i akumulacji nadmiaru chwilowych wartości energii silnika napędowego. Ogólnie masyny roboce charakteryują się tym, że ich obciążenia nie są stałe w dłużsych okresach casu, lec mieniają się wielokrotnie w ciągu cyklu pracy. Każdy cykl awiera, co najmniej jedną faę pryspiesenia masy i jedną opóźnienia. Powoduje to w układach napędu konwencjonalnego nacne więksenie użycia paliwa, ponieważ energia użyta na pryspiesenie masy jest amieniana na ciepło w trakcie hamowania i tracona bepowrotnie. Koryści wynikające astosowania napędu hybrydowego to: mniejsenie użycia paliwa pre możliwość rekuperacji energii, mniejsenie użycia paliwa pre akumulację energii wynikającej nadmiaru mocy silnika spalinowego nad wartością chwilową mocy oporów ruchu, mniejsenie użycia paliwa pre stabiliację mocy silnika spalinowego na określonym poiomie w całym cyklu pracy, nacne ogranicenie emisji do atmosfery toksycnych składników spalin [66]. Rysunek 33. Stanowisko badawce [6] W Katedre Mechaniki Stosowanej Wydiału Mechanicnego Technologicnego Politechniki Śląskiej obejmuje budowę stanowiska laboratoryjnego wóka widłowego składającego się podukładu równoległego i seregowego [Rysunek 33]. Zastosowanie układu sterowania napędem wykorystującego logikę romytą apewni odpowiednie wykorystanie mocy obu silników, w ależności od aistniałej potreby, ora na wykorystanie energii powstałej podcas hamowania układu ora pracy silnika spalinowego do ładowania baterii elektrochemicnej [Rysunek 34]. 39

40 Rysunek 34. Wiualiacja układu hybrydowy prekładnią sumacyjną [6] Układ baterii jest bardo ważnym elementem całego układu decydującym o jego żywotności i skutecności. Dla rowiąania napędu hybrydowego podnośnika prewidiano układ ogniw elektrochemicnych ora superkondensatorów. Zaletą superkondensatorów, w preciwieństwie do akumulatorów elektrochemicnych jest fakt, że są dolne do pryjmowania i wydawania dużych prądów be utraty trwałości. Zastosowanie mikroprocesorowego układu sterowania powoli na optymalne arądanie prepływem energii międy wspomagającą silnik napędowy masyną elektrycną a asobnikami energii. Ponadto astosowanie superkondensatorów powoli na obniżenie masy całego układu napędowego. Rysunek 35. Schemat blokowy modelu laboratoryjnego hybrydowego układu napędowego M1 symulator silnika spalinowego, M silnik magnesami trwałymi, M3 silnik prądu stałego, J dodatkowa masa bewładności 4

41 Głównym adaniem układu sterowania jest pretwaranie i sterowanie prepływem energii w hybrydowym układie napędowym. Zastosowanie mikroprocesorowego układu sterowania powoli na optymalne arądanie prepływem energii międy wspomagającą silnik napędowy masyną elektrycną a asobnikami energii [Rysunek 35]. W celu bieżącej kontroli nad podstawowymi parametrami pracy całej masyny prewidiano astosowanie układu cujników pomiarowych. Mikrokontroler na podstawie uyskanych danych i pry wykorystaniu specjalnie utworonych algorytmów arąda prepływem energii międy wspomagającą silnik napędowy masyną elektrycną a asobnikami energii. Układ sterowania aprojektowano w środowisku LabView. Program sterujący nadoruje ora prekauje sygnały do sterowników bepośrednio połąconych silnikami elektrycnymi. Program stworony w tym środowisku może ostać pretestowany a następnie aimplementowany do kontrolera sterującego. Powala to pryspiesyć proces prototypowania algorytmu sterującego. Symulacje w środowisku wirtualnym powalają abepiecyć recywisty układ pred uskodeniami w faie uruchomienia. 41

42 3. Cel pracy Celem pracy jest opracowanie modelu matematycnego i programu komputerowego do symulacji napędu hybrydowego ora wykonanie demonstratora małego hybrydowego pojadu miejskiego. Sformułowano następującą teę pracy : Możliwe jest preprowadenie analiy dynamicnej ora opracowanie algorytmów powalających na walidację i wiualiację cyklów jady miejskiego pojadu hybrydowego. Komputerowe modele posłużą do dalsych prac nad optymaliacją systemu sterowania napędem mierających do obniżenia użycia paliwa w cyklu jady miejskiej. Dodatkowo algorytmy wykorystane będą jako narędie wspomagające dobór mocy silnika elektrycnego wględem spalinowego ora do ustalenia pojemności akumulatorów w ależności od prenacenia pojadu. Preprowadone oblicenia, potwierdone badaniami układu recywistego powolą określić koryści ora wady, które niesie sobą integracja napędu spalinowego elektrycnym w małolitrażowym samochodie osobowym. W ramach projektu ostanie również wykonane stanowisko laboratoryjne oparte o konstrukcję samochodu Fiat Panda. Prace nad układem napędowym ostaną ogranicone do wprowadenia napędu elektrycnego tylnej osi (eawd). Modele matematycne napędu powolą na badanie jego pracy w trech podstawowych trybach: elektrycnym, spalinowym ora miesanym. Taki układ powoli na analię właściwości najpopularniejsych hybrydowych rowiąań komercyjnych, a wiec napędów równoległych, seregowych, miesanych ora rowiąań typu Stop & Start. Praca swoim akresem obejmuje realiację następujących adań: Budowa ora analia programu symulującego pracę napędu hybrydowego. Ustalenie standardowych cykli jady w miastach aglomeracji śląskiej. Dobór parametrów algorytmu sterowania e wględu na minimaliację użycia paliwa. Wykonanie demonstratora pojadu na baie samochodu osobowego Fiat Panda. Weryfikacja programu symulacyjnego. Analia ekonomicna astosowania napędu hybrydowego. 4

43 3.1. Ogólna koncepcja pojadu Projekt prototypowego pojadu hybrydowego jest oparty o konstrukcję samochodu Fiat Panda w wersji napędem na dwie osie. Takie rowiąanie umożliwia budowę napędu hybrydowego w wersji e4wd, cyli nieależnym napędem obydwu osi [Rysunek 36]. Do budowy napędu elektrycnego wykorystano tylny mechanim różnicowy wersji 4x4. Rysunek 36. Schemat napędu typu e4wd [6] Napęd typu e4wd umożliwia preprowadenie pomiarów napędu hybrydowego w trech podstawowych trybach pracy: spalinowym, elektrycnym ora miesanym. Napęd tego typu charakteryuje się również lepsymi własnościami trakcyjnymi scególnie w trudnym terenie [Tabela 14]. Producenci podejmują prace nad tego typu rowiąaniami, cego dowodem jest prototypowy napęd predstawiony pre Centrum Rowoju Fiata [Rysunek 37]. Rysunek 37. Koncepcja napędu typu e4wd opracowana pre Centrum Rowoju Fiata 43

44 Podstawowymi parametrami eksploatacyjnymi mającymi wpływ na projektowany espół napędowy są: asięg pojadu w trybie elektrycnym, parametry dynamicne, poiom wspomagania silnika elektrycnego, siła hamowania regeneracyjnego, stan naładowania baterii. Tabela 14. Parametry eksploatacyjne samochodu Fiat Panda [1] 1.3 Multijet 7 KM 1.3 Multijet 75 KM 1.3 Multijet 4x4 Prędkość maksymalna[km/h] Pryspiesenie 1 km/h [s] 1.3 Multijet 4x4 Climbing 1.3 Multijet 4x4 CROSS Zasięg pojadu jest uwarunkowany pojemnością estawu akumulatorów. Wra e więksaniem pojemności rośnie też masa pojadu, prewidywany asięg jest, więc uależniony od możliwości konstrukcyjnych pojadu ora budżetu projektu [Tabela 15]. Tabela 15. Dopuscalne obciążenia [1] Obciążenie użytkowe kierowcą [kg] 1.3 Multijet 1.3 Multijet 4x4 1.3 Multijet 4x4 Climbing 1.3 Multijet 4x4 CROSS Jako akładany asięg prototypowego pojadu pryjęto dystans diesięciu kilometrów. Odległość taka gwarantuje autonomię w trybie elektrycnym wystarcającą do porusania się w centrum miasta ora odpowiedni bufor energetycny w casie jady poamiejskiej. Głównym kryterium dynamicnym było apewnienie, co najmniej tak dobrych własności trakcyjnych jak w konwencjonalnym pojeźdie [Tabela 16]. Tabela 16. Maksymalne pochylenia pokonywane określone podcas prób homologacyjnych [1] 1. 8V 4x4 1.3 Multijet 4x4 Pochylenie pokonywane (pry Standardie B) (*) ropocynając od pocątku pochylenia 5% 55% Pochylenie pokonywane (pry Standardie B) (*) ropocynając od płaskiej powierchni 6% 65% (*) Standard B: pojad gotowy do jady narędiami, kołem apasowym, pełnym biornikiem paliwa + kierowca Projektowany napęd hybrydowy można alicyć do kategorii dielonych układów napędowych. Istotą projektu jest to, aby istniała możliwość samodielnej pracy jednego dwóch silników napędowych lub ich wspólna kooperacja. Zostało to realiowane popre astosowanie dwóch automatycnie sterowanych spręgieł. Pracą układu steruje jednostka centralna, która ustala według wceśniej opracowanego algorytmu cykl pracy poscególnych elementów. Ponieważ silnik elektrycny charakteryuje się wysokim momentem 44

45 obrotowym już pry niskich prędkościach obrotowych dlatego jest on wykorystywany pry rusaniu ora do jady pry niskich prędkościach. Po prekroceniu pewnej ustalonej prędkości silnik elektrycny jest wyłącany a rolę napędu głównego prejmuje silnik spalinowy. Takie rowiąanie umożliwia jadę pry minimalnym obciążeniu silnika spalinowego w warunkach miejskich pry jednocesnym apewnieniu odpowiedniej dynamiki jady w ruchu poamiejskim [Rysunek 38]. 1 Rysunek 38. Opracowana koncepcja budowy napędu typu e4wd na podwoiu FIAT PANDA [6] 1 napęd spalinowy napęd elektrycny Płynną i ekonomicną jadę w każdych warunkach apewnia algorytm sterownika silnika elektrycnego. Jednym jego podstawowych adań jest apewnienie synchroniacji pracy obu silników. Ponadto sterownik utrymuje odpowiedni stan naładowania baterii ora abepieca silnik spalinowy pred preciążeniem. W raie wysokiego chwilowego apotrebowania mocy silniki pracują jednoceśnie pokrywając więksone apotrebowanie energetycne. Silnik elektrycny pełni również funkcję prądnicy ładującej estaw baterii. Baterie mogą też być ładowane domowej sieci elektrycnej. Zaletą tego rowiąania jest możliwość realiacji funkcji hamowania regeneracyjnego. Funkcja ta powala odyskać energię kinetycną traconą podcas hamowania w postaci ciepła ora wykorystać ją ponownie w dalsym cyklu jady. W celu preprowadenia odpowiednich badań weryfikujących apewniono możliwość pomiaru następujących parametrów: prędkość obrotowa wału silnika, prędkość pojadu, położenie pedału gau, położenie pedału hamulca, energia akumulowana podcas hamowania regeneracyjnego, stan naładowania baterii, parametry układu elektrycnego, 45

46 temperatura silnika, temperatura baterii. Parametry napędu hybrydowego, które można regulować podcas jady, to prełącanie międy trybami jady (elektrycny, spalinowy, elektrycno-spalinowy), prędkość maksymalna, pry której wyłącany jest silnik elektrycny, minimalny poiom naładowania baterii, pry którym nie jest możliwa jada w trybie elektrycnym, procentowy poiom siły hamowania regeneracyjnego, maksymalna siła hamowania w trybie generatorowym. System apewnia również użytkownikowi nadór i kontrolę nad podstawowymi parametrami pracy pojadu. Projekt budowy demonstratora ostał podielony na następujące etapy: Prace koncepcyjne określenie celów ora ałożeń projektu. Na tym etapie predstawiana jest ogólna koncepcja projektowanego układu ora gromadone są ogólne informacje i dotychcasowe osiągnięcia w diedinie konstrukcji pojadów wykorystujących alternatywne źródła energii. Badania symulacyjne wykorystaniem opracowanego algorytmu obliceń i programu. Projekt połąceń mechanicnych awiera scegółowe dane dotycące poscególnych podespołów układu wra e sposobem ich montażu. Efektem tego etapu jest scegółowy plan wykonania ramy mocującej układ napędowy do ramy nośnej pojadu. Projekt układu sterowania predstawia schemat wykonania układu sterowania napędem hybrydowym. Projekt jest podielony na dwie cęści. W pierwsej cęści predstawiane jest rowiąanie sterowania poscególnymi silnikami układu, natomiast w drugiej predstawiony jest projekt sterowania nadrędnego powalającego na tworenie algorytmów rodiału mocy, a więc dobór trybów pracy całego układu. Wykonanie demonstratora pojadu gromadone informacje ora wykonane opracowania posłużą do wykonania eksperymentalnego samochodu, który ostanie wykorystany do badań nad możliwościami poprawy ekonomiki jady ora dalsego rowoju tej technologii. 46

47 Rysunek 39. Samochód testowy Prace projektowe wykonane ostały na samochodie dostarconym pre Fiat Auto Poland [Rysunek 39] w ramach współpracy wydiałem Mechanicnym Technologicnym Politechniki Śląskiej. Zakres prac obejmuje również analię budowy termogeneratora opartego o wybrane ogniwa Peltiera [Rysunek 41]. Wykonano pomiary kamerą termowiyjną w celu określenia możliwego miejsca abudowy generatora [Rysunek 4]. Analię efektywności pracy generatora dokonano na stanowisku laboratoryjnym. Rysunek 4. Rokład temperatury poscególnych podespołów układu wydechowego [6] Jednym podstawowych problemów pry astosowaniu tego typu rowiąań jest wybór odpowiedniego miejsca montażu generatora ora apewnienie odpowiedniej różnicy temperatury pomiędy imna i ciepłą stroną ogniwa. 47

48 Rysunek 41. Płytki termoelektrycne TEC1-176 Pomiary doświadcalne wykonano na stanowisku laboratoryjnym. Stanowisko to wyposażono w układ grewcy, układ chłodenia ora układ pomiarowy. Projekt stanowiska [Rysunek 4] apewnia możliwość uyskania regulacji różnicy temperatur pomiędy okładkami ogniwa. Gorąca strona Ogniwa TE Zimna strona Radiator Pompa Chłodnica a Rysunek 4. Laboratoryjny układ pomiarowy ogniw termoelektrycnych [6] Zapewnienie odpowiedniej różnicy temperatury pomiędy imną i ciepłą stroną ogniwa wymaga budowy systemu chłodenia [Rysunek 43]. Niska sprawność premiany energii, wysoki kost budowy ora dodatkowy układ chłodenia najcęściej nie gwarantują ekonomicnej asadności budowy wymiennika. 48

49 Rysunek 43. Stanowisko pomiarowe wymiennika termoelektrycnego [6] Pomiary wykonane na stanowisku badawcym (Rysunek 43) wskaują, że najlepsą sprawność uyskuje się pry różnicy temperatury, pomiędy stroną ciepła a imną ogniwa, równej 55 C. Pry apewnieniu takich warunków maksymalna moc generowana pre ogniwo to 47W. Budując moduł składający się kilku ogniw można więksyć moc generatora. Wiąże się to jednak koniecnością wytworenia układu chłodnicego własnym obiegiem ciecy chłodącej. Dobór pojemności parametrów estawu superkondensatorów do demonstratora pojadu preprowadono pry następujących ałożeniach: pojad o masie 11 kg powinien atrymać się prędkości 6 km/h w casie 1 sekund. W procesie tym energia kinetycna powinna być amieniona na elektrycną i magaynowana w ultra kondensatore. Po podstawieniu: (7) (8) Wielkość gromadonej energii elektrycnej określa się ależności: Gdie: U A jest napięciem pocątku ładowania kondensatora (U A = 5 [V]) U E to napięcie końca ładowania (U E = 46 [V]) (9) Są to wartości odpowiadające odpowiednio -4% i +1% napięciu 4V. Pry ałożeniu, że cała wartość energii kinetycnej ma być amieniona na elektrycną: 49

50 (1) Po podstawieniu: Prąd ładowania oblicany ależności: Gdie: C= [F], t=1 [s], U=1[V]. (11) (1) Po podstawieniu otrymano: Ultrakondensator dla tej aplikacji powinien mieć pojemność F pry maksymalnym napięciu 46V. Wartość wymaganej pojemności można uyskać, łącąc typowe ultrakondensatory (np. o parametrach 5 F/16.V) w dwie równoległe gałęie po try kondensatory każda. Uyskany ultrakondensator będie miał następujące parametry: pojemność 5F, napięcie pracy 48,6V, możliwość ładowania prądem 8A [Tabela 17]. Tabela 17. Oferta ultra kondensatorów firmy Maxwell (8) [6] Lp. Nr katalogowy Ilość Cena netto 1. Ultrakondensator Maxwell 1-4 st. 475, EUR/st. 16.V, 11F Part number BMOD11 P16. Ultrakondensator Maxwell 1-4 st. 67, EUR/st. 16.V, 5F Part number BMOD5 P16 3. Ultrakondensator Maxwell 1-4 st EUR/st. 48.6V, 83F Part number BMOD83 P48 4. Ultrakondensator Maxwell 48.6V, 11F Part number BMOD165 P st. 14 EUR/st. (13) 3.. Pojad Fiat Panda, jako baa do budowy demonstratora Seryjną produkcję drugiej generacji samochodu Fiat Panda ropocęto w tyskich akładach motoryacyjnych w 3 roku. Stosowany w tym modelu silnik 1.3 Multijet jest nowocesną i nowatorską konstrukcją opracowaną pre Fiat-GM PowerTrain [Tabela 18]. Silnik ten jest drugą generacją rowiąania typu CommonRail. Zmiany obejmują również układ sterujący ora wtryskiwace, który w nowym typie silników wtryskują dawkę paliwa o objętości 1 mm 3. W celu redukowania emisji spalin, silniki te wyposażone są w: 5

51 układ wydechowy kataliatorem utleniającym; układ recyrkulacji spalin E.G.R. wymiennikiem ciepła układ recyrkulacji oparów / gaów na korpusie silnika. filtr cąstek stałych (DPF) (wersje 51 kw) Tabela 18. Dane technicne samochodu Fiat Panda 1.3 Multijet [1] Wymiary Długość 3538 [mm] Serokość 1578 [mm] Wysokość 154 [mm] Rostaw osi 99 [mm] Masa 935 [kg] Silnik Pojemność skokowa 148 [ccm] moc 51 4 [Obr/min] Moment obrotowy [Obr/min] Układ silnika Rędowy Licba cylindrów 4 Średnica x skok tłoka [mm] x 8 [mm] Typ DOHC wałek rorądu w głowicy dwa wałki rorądu w głowicy Stopień sprężania 18.:1 Układ licba aworów R4 / 16 Stożkowość tulei cylindrowej <.1 [mm] Średnica copów głównych x [mm] Powięksenie tulei cylindrowej.1 [mm] Owaliacja tulei cylindrowej ±.1 [mm] Zużycie paliwa* 6.9/4.4/5.5 Osiągi Pryspiesenie -1 [km/h] 13 [s] Prędkość maksymalna 16 [km/h] Stosunek mocy do masy.54 [kw/kg] Zawiesenie Położenie silnika Pród Ustawienie silnika Poprecne Napęd Predni Hamulce pród / tył Wentylowane tarcowe / bębnowe Skrynia biegów Licba biegów: 5, manualna Napęd 4x4 włącany automatycnie e spręgłem wiskotycnym, dwa mechanimy różnicowe *miasto/trasa/cykl miesany (l/1 km) Diałanie układów optymaliowano popre astosowanie elektronicnego układu sterowania. Wartości średniego użycia paliwa określono podcas prób homologacyjnych pry uwględnieniu: jady w cyklu miejskim, która obejmuje roruch silnika na imno, po cym następuje symulacja różnorodnej jady po mieście; jady w cyklu poamiejskim, która obejmuje cęste pryspiesenia, na wsystkich biegach, co symuluje normalne użytkowanie pojadu poa miastem. Prędkość mienia się w akresie od do 1 km/h; średniego użycia w cyklu miesanym (37% użycia w cyklu miejski i 63% użycia w cyklu poamiejskim). 51

52 Tabela 19. Średnie użycie paliwa [1] Jada w cyklu miejskim (litry na 1 km) Jada w cyklu poamiejskim (litry na 1 km) Jada w cyklu miesanym (litry na 1 km) (*) Wersja 4x4 (do 1/6) (**) Wersja 4x4 (od 1/6) 1.3 Multijet 7KM (*) 6.7 (**) (*) 4. (**) (*) 5. (**) 1.3 Multijet 75 KM Na wartości średniego użycia paliwa mogą mieć wpływ takie parametry jak natężenie ruchu drogowego, styl jady, warunki atmosferycne, poiom wyposażenia ora amontowanych akcesoriów, amontowany bagażnik dachowy, ainstalowane wyposażenie specjalne ora ogólny stan pojadu [Tabela 19]. Wartości emisji spalin podane w tabeli ostały określone w oparciu o wymogi wiąane pomiarem godnie dyrektywą 1999/1CE. Powyżse dane ostały określone podcas prób homologacyjnych w oparciu o średni cykl miesany. Projekt napędu hybrydowego do małolitrażowego samochodu miejskiego obejmuje opracowanie koncepcji połącenia mechanicnego ora elektrycnego dwóch masyn napędowych wykorystujących różne źródła energii. Opracowany napęd powinien mniejsyć kosty jady ora apewnić ogranicenie emisji spalin pry apewnieniu porównywalnej dynamiki jady. W celu wiualiacji koncepcji budowy demonstratora opracowano model komputerowy pojadu [Rysunek 44][Rysunek 45]. Rysunek 44. Wirtualny model pojadu [6] 5

53 Napęd ostał aprojektowany dla małego samochodu miejskiego. Głównym źródłem napędu poostaje tradycyjny silnik spalinowy, co apewnia odpowiednią dynamikę jady. Silnik elektrycny pełni rolę wspomagającą, w określonych prypadkach może również pełnić rolę napędu głównego. Założenie, że projektowany pojad jest prenacony do ruchu typowo miejskiego powala na pryjęcie kilku podstawowych ałożeń dotycących jego eksploatacji. Podstawowym ałożeniem jest ogranicenie prędkości maksymalnej do 8 km/h. Wynika to faktu, że najwiękse oscędności paliwa osiągane są pry jeźdie prerywanej dla niskich prędkości średnich. Rysunek 45. Wirtualny model pojadu [6] 3.3. Mechatronicne podejście do realiacji projektu Prace projektowe ropocęto od analiy możliwych rowiąań ora preglądu oferty rynkowej. Na tej podstawie określono główne ałożenia projektowe. W kolejnym etapie opracowano program komputerowy wspomagający dobór podespołów projektowanego napędu. Na podstawie wyników preprowadonych symulacji określono podstawowe parametry takich elementów jak: silnik elektrycny, estaw akumulatorów ora wymagane funkcje układu sterowania. Integracja napędu elektrycnego na ramie pojadu demonstracyjnego wymagała opracowania wirtualnego modelu pojadu. Model ostał wykorystany do opracowania scegółowej koncepcji budowy napędu. 53

54 Weryfikacja ałożeń i modelu Dokumentacja i badania r Panda e4wd Dobór parametrów układu CAx Modelowanie Symulacja Integracja Prototyp Rysunek 46. Etapy projektowania mechatronicnego W kolejnym etapie prac wykonano prototypowy układ napędowy, który posłużył do preprowadenia badań. Wyniki badań wykorystano do weryfikacji opracowanych algorytmów i modeli matematycnych. 4. Oblicenia dynamiki pojadu Porusający się samochód jest wielomasowym obiektem dynamicnym o wielu stopniach swobody. Analia dynamiki jady wymaga uwględnienia prestrennego ruchu arówno nadwoia jak i wsystkich innych ruchomych elementów. Wiąże się to koniecnością rowiąywania wielu sprężonych równań różnickowych, co utrudnia roponawanie i analię podstawowych własności dynamicnych pojadu. Z tego powodu do obliceń pryjmuje się pewne ałożenia uprascające. Samochód traktowany jest cęsto jako bryła stywna a analia dynamicna ogranica się głównie do ruchu płaskiego [78]. Do podstawowych własności dynamicnych należy alicyć: kierowalność i statecność ruchu, statecność poprecna, dolność hamowania, prędkość maksymalna, dolność pokonywania wniesień, dolność pryspiesania. 54

55 Siły ewnętrne, diałające na porusający się pojad tworą łożony prestrenny układ sił [Rysunek 47]. Ze wględu na łożoność tego układu analię ruchu pojadu preprowada się ropatrując oddielne agadnienia jak jada ustaloną prędkością, pryspiesanie cy hamowanie. Podstawowe parametry energetycne to: Energochłonność ruchu Sprawność napędu Zużycie paliwa Rysunek 47. Siły oddiaływujące na porusający się samochód Siły oddiaływujące na porusający się samochód obejmują: W ciężar pojadu pryłożony w środku ciężkości pojadu. Jeżeli pojad porusa się po pochylonej drode mogą występować dwie składowe pionowa ora poioma. Jeżeli pojad pryspiesa wprowada się siłę bewładności (-ma) Opony doświadcają sił normalnych onaconych jako W f dla kół prednich ora W r dla kół tylnych. Siły napędowe F xf ora F xr ora siły oporu tocenia R xf ora R x, które mogą pojawić się w punkcie styku opony nawierchnią drogi. Siły oporu powietra predstawione jako D A. R h ora R hx to siły poprecne ora wdłużne oddiałujące na samochód. (14) (15) (16) 55

56 W prypadku kiedy pojad poostaje w spocynku na płaskiej nawierchni składowe R hx, R h ora D A są równe ero. Również poioma składowa siły grawitacji jest erowa. Z tego powodu powyżse równania uprascane są do następującej postaci Podcas pryspiesania pojadu na poiomej drode pry niskich prędkościach, kiedy D A jest równe eru siły napędowe na osiach pojadu można apisać pod postacią: (17) ( ) ( ) (18) Wpływ kąta nachylenia ma również duże nacenie na dynamikę pojadu. Do obliceń pryjęto następujące uproscenia: ( ) ( ) (19) Symulacja stanu obciążeń podłoża wymaga opracowania modelu ogumienia uwględniającego stywność ogumienia, promień koła ora powierchnię kontaktu opony podłożem. Można wyróżnić następujące grupy modeli [33]: Model koła odkstałcalnego, które współpracuje podłożem utwardonym. Model koła odkstałcalnego, które współpracuje nieutwardonym podłożem. Model koła nieodkstałcalnego, które współpracuje podłożem utwardonym. C K K K C K K K LK= F K q L K=const L K=f(F K) Rysunek 48. Modele ogumienia [33] a) Model punktowym stykiem ogumienia podłożem, b) model o stałej długości śladu współpracy podłożem, c) model o miennej długości śladu współpracy d) model w postaci promieniowo romiesconych łącników sprężysto- tłumiących 56

57 Opis matematycny oparto na podstawie modelu Dugoffa [33], który umożliwia wynacenie wartości obciążenia koła w kierunku poprecnym (F y ) ora wdłużnym (F x ) w funkcji kąta nosenia () ora pośligu wdłużnego (s x ). () Gdie: c x współcynnik wdłużnej stywności pośligowej opony, c y współcynnik poprecnej stywności pośligowej opony, s x poślig wdłużny koła, s y poślig bocny koła, - współcynnik prycepności pośligowej. Wartości obciążenia koła można wynacyć następujących ależności: dla s w <,5 (1) dla s w,5 () Predstawione modele odnosą się do współpracy koła ogumionego nierównościami podłoża utwardonego. Modele, które wykorystano w modelu pojadu programu symulacyjnego Oblicenia dynamiki konwencjonalnego napędu Celem obliceń jest predstawienie bilansu energetycnego projektowanego pojadu, co pomoże wynacyć apotrebowanie energetycne poscególnych elementów napędu ora obrauje prewidywaną charakterystykę dynamicną pojadu. Oblicenia wykonano w programie Mathcad. Na potreby obliceń prybliżono charakterystyki prebiegu mocy ora momentu obrotowego pry pomocy worów Leidemanna: - silnik wysokoprężny wtrysk bepośredni ( ) (3) 57

58 - silnik wysokoprężny apłonem iskrowym ( ) (4) Gdie: N e - moc maksymalna silnika [kw] N k - moc oblicana pry adanej licbie obrotow [kw] n m - predkosc obrotowa odpowiadajaca mocy maksymalnej [obr/min] n x - predkosc pbrotowa pry mocy oblicanej [obr/min] Oblicenia momentu obrotowego Oblicenia średniego ciśnienia efektywnego Oblicenia jednostkowego użycia paliwa (5) (6) ( ) (7) Gdie: N funkcja prebiegu mocy silnika [kw], n M prędkość obrotowa pry mocy maksymalnej [obr/min], N E moc maksymalna [kw]. Z tak otrymanego prebiegu mocy oblicono prebieg momentu napędowego. Gdie: N M (8) N moc [kw], ω prędkość obrotowa silnika [rad/s] Wyniki obliceń predstawiono na poniżsych wykresach. 58

59 Rysunek 49. Krywe charakterystycne silnika 1.3 Multijet [1] Dalse oblicenia wymagają wynacenia prełożenia całkowitego dla każdego biegów pry wykorystaniu następującego woru [Tabela ]: Gdie: i C prełożenie całkowite, i B prełożenie biegu, i G prełożenie prekładni głównej. i i C i B G (9) Tabela. Prełożenia skryni biegów [1] 1.3 Multijet 1.3 Multijet 4x4 Typ C514R C514R Prełożenia prekładni I II III IV V Bieg wstecny Do wynacenia siły napędowej posłużono się następującym worem: Gdie: F N MiC M R M moment napędowy [Nm], i C prełożenie całkowite, η M sprawność mechanicna układu napędowego, R D promień dynamicny kół trakcyjnych [m]. D (3) 59

60 Koło ogumione jest podstawowym elementem układu jednego pojadu [Tabela 1]. Podstawową własnością koła ogumionego jest elastycność opony pneumatycnej, powodująca powstawanie odkstałceń sprężystych. Jednym efektów jest mienność promienia ogumienia podcas jady. Model wykorystuje promień dynamicny, który ostał wynacony następującego woru: Gdie: R N promień nominalny [m] RD. 9R N (31) Promień dynamicny pod wpływem siły odśrodkowej ma więksą wartość niż promień statycny. Dla pryjętych danych (135 x 1 SR) promień dynamicny wynosi,4 [m]. Tabela 1. Ogumienie [1] Wersja Obręce Opony na wyposażeniu 1.3 Multijet 1.3 Multijet 4x4 Climbing 1.3 Multijet 4x4 CROSS 5. B x 13H 155/8 R 13 79T 5J x 14H (e stopu) 185/65 R 14 79T 5.5 J x /7 R 14 81T 5.5 J x 4 185/65 R 14 86T 5.5 J x /65 R 14 86T M+s 6 J x /65 R 15 84T M+s W casie ruchu występują straty mocy. Można wyróżnić następujące źródła strat: tarcie śligowe, uderenia elementów bieżnika o nawierchnię, pryssawanie, tarcie w łożyskach ora straty wentylacyjne. Na potreby obliceń straty te predstawiono pod postacią siły oporów tocenia. Rysunek 5. Siły i momenty diałające na koło odkstałcalne tocone po podłożu utwardonym [33] a koło swobodne, b koło napędowe 6

61 4.. Opory ruchu W celu preprowadenia bilansu energii oblicono siły oporu diałające na porusający się samochód. Na porusający się samochód diałają siły oporowe takie jak siła bewładności, opory powietra, opory wewnętrne ora opory tocenia, które musą być równoważone pre siłę napędową. Opory wewnętrne ostały uwględnione we współcynnikach sprawności mechanicnej poscególnych elementów układu napędowego. Gdie: F C suma oporów [N], F A opory powietra[n], F T opory tocenia [N]. F C F F (3) A T Na podstawie analiy wykresu oporów ruchu wynacono maksymalną prędkość pojadu w trybie elektrycnym na ok. 65 km/h. Powyżej tej prędkości opory ruchu nacnie wrastają, co wiąże się e więksonym apotrebowaniem energetycnym pojadu. Siła oporów tocenia podana jest ależnością: Gdie: F T C m t C g (33) C t współcynnik strat oporów tocenia dla nawierchni asfaltowej (,1), m C masa całkowita pojadu (9 [kg]), g pryspiesenie iemskie. Siłę oporu powietra oblicono następującej ależności: Gdie: F 1 O C X kaf v (34) ρ gęstość powietra dla normalnych warunków atmosferycnych (1,6 C X współcynnik oporów powietra (,4), k współcynnik powierchni cołowej (,8), A F pole powierchni cołowej (1,71 [m ]), v prędkość samochodu [ km ]. h Wyniki obliceń predstawiono na poniżsym wykresie [Rysunek 51]. kg 3 m ), 61

62 Całkowite opory ruchu *N Prędkośd pojadu *km/h+ Rysunek 51. Wykres oporów ruchu [6] W celu określenia dynamiki pojadu preprowadono bilans dynamicny. Dla każdego biegu oblicono wskaźnik dynamicny w pełnym akresie obrotów według następującego woru: Gdie: F D m D oblicany wskaźnik dynamicny, F O całkowite opory ruchu, m C - masa całkowita, g pryspiesenie iemskie. N c F g O (35) Bilans dynamicny [78] ostał opracowany na podstawie charakterystyki ewnętrnej silnika dla samochodu wyposażonego w stopniową skrynię biegów [Rysunek 5]. 6

63 Siła *N+ Współcynnik dynamicny,7,6,5,4,3,, Prędkośd pojadu *km/h+ I II III IV V Rysunek 5. Porównanie współcynników dynamicnych na poscególnych prełożeniach [6] W obliceniach pryjęto następujące ałożenia uprascające: samochód porusa się be pośligu kół po jedni charakteryującej się gładką i suchą nawierchnią, brak sił bocnych, brak wiatru, siły napędowe ora siły oporu tocenia pryjmują wartości identycne dla kół lewych jak i prawych [78] Prędkośd pojadu *km/h+ Siła napędowa Siła oporu Rysunek 53. Bilans sił [6] 63

64 Pryspiesenia [m/s ] Bilans siły napędowej wględem całkowitej siły oporu powala określić teoretycną prędkość maksymalną pojadu [Rysunek 53]. Wartość recywistej prędkości maksymalnej jest ależna od aktualnych warunków atmosferycnych ora parametrów nawierchni. Wylicona prędkość maksymalna samochodu wynosi 149 km/h. Powyżej tej prędkości opory ruchu prewyżsają siłę napędową pojadu. W celu określenia casów pryspieseń porównano prebiegi pryspieseń [Rysunek 54] Prędkośd pojadu *km/h+ I II III IV V Rysunek 54. Bilans pryspieseń [6] Dla tak obliconych wskaźników oblicony cas ropędania samochodu od do 1 km/h wynosi 13,14 s. Zestawienie wyników obliceń parametrów użytkowych pojadu predstawiono poniżej [Tabela ]. Tabela. Parametry użytkowe samochodu testowego podcas jady na silniku spalinowym [6] Bieg Zdolność pokonywania wniesień [%] Maksymalne pryspiesenia [m/s ] Prędkość maksymalna [km/h] I 59. 4,95 35 II 31.1,89 64 III 18. 1,75 14 IV 1.5 1, V 9., Wprowadenie elektrycnego napędu tylnej osi pojadu wiąże się e więkseniem masy pojadu, co ma bepośredni wpływ na jego własności jedne. Najwięksy wpływ na więksenie masy ma dodatkowy estaw baterii składający się seściu akumulatorów o łącnej masie 5 [kg]. Dodatkowo należy uwględnić masę silnika elektrycnego, tylnego mostu napędowego, mechanimu różnicowego, okablowania ora elementów elektrycnych. Całkowita masa pojadu hybrydowym napędem wynosi 113 [kg]. 64

65 Tabela 3. Porównanie parametrów użytkowych wersji konwencjonalnej i hybrydowej w trybie napędu spalinowego [6] Bieg Różnica [%] Maksymalne pryspiesenia wersja konwencjonalna [m/s ] Maksymalne pryspiesenia wersja hybrydowa[m/s ] I 4,95 3,78 3 II,89, 4 III 1,75 1,3 5 IV 1,19,89 6 V,87,64 7 Porównanie parametrów dynamicnych pojadu w wersji hybrydowej podcas napędania silnikiem spalinowym wskauje na pogorsenie ich wartości o ok. 3% [Tabela 3]. Różnica ta musi, więc ostać bilansowana popre silnik elektrycny będący drugim źródłem napędowym w trybie jady miesanej Dobór napędu elektrycnego Wykorystanie równoległego napędu hybrydowego powala na jadę w trybie beemisyjnym. W trybie tym właściwości dynamicne pojadu są uależnione od parametrów technicnych silnika elektrycnego. Silnik jest bepośrednio spręgnięty tylnym mechanimem różnicowym o prełożeniu 4.99:1. Pry określaniu mocy wymaganej silnika elektrycnego wykorystano możliwości symulacyjne opracowanego programu komputerowego. W obliceniach brano pod uwagę napęd elektrycny o mocy 5, 1 ora 15 kw. Dla tak pryjętych parametrów preprowadono symulacje pryjętych cykli jady (ECE, NEDC). Wyniki symulacji wskaały na najwiękse oscędności użycia paliwa dla napędu silnikiem elektrycnym o mocy 15 kw. Jest to wiąane możliwością wykorystania silnika w sersym akresie prędkości. Następnie dokonano preglądu oferty rynkowej i wybrano silnik o bliżonych parametrach trakcyjnych. Analia bilansu sił wskauje na prędkość maksymalną trybu elektrycnego 65 km/h [Rysunek 55]. Gwarantuje to wystarcającą elastycność jady w ruchu miejskim. 65

66 Pryspiesenie [m/s] Siła *N Prędkośd pojadu *km/h+ Siła napędowa Siła oporowa Rysunek 55. Bilans sił silnika elektrycnego [6] Na parametry dynamicne duży wpływ ma więksona masa pojadu. Dodatkowa masa wiąana wprowadeniem napędu elektrycnego skutkuje pogorseniem parametrów jednych pojadu w trybie jady napędem spalinowym [Rysunek 56].,6,5,4,3,, Prędkośd pojadu *km/h+ 113[kg] - tryb spalinowy 113 [kg] - tryb hybrydowy 935[kg] - tryb spalinowy Rysunek 56. Porównanie parametrów dynamicnych w trybie napędu spalinowego dla różnych mas całkowitych pojadu [6] Zmiana masy wiąże się dostosowaniem konstrukcji pojadu do specyficnych wymogów napędu. Najwięksy wpływ na więksoną masę ma estaw akumulatorów. Producenci akumulatorów oferują już nowocesne specjalistycne akumulatory charakteryujące się niską masą. Kosty akupu estawu takich akumulatorów są wciąż wysokie. Zwięksenie popytu na samochody hybrydowe powala sądić, że w niedalekiej prysłości ceny podespołów będą niżse, co powoli projektować napędy o bardiej kompaktowej budowie i niżsej masie [Tabela 4]. 66

67 Tabela 4. Masowy procentowy udiał komponentów samochodu w różnych wersjach napędowych [19] ICEV samochód silnikiem spalinowym (Internal Combustion Engine Vehicle), HEV samochód napędem hybrydowym (Hybrid Electric Vehicle) FCV samochód napędany ogniwami paliwowymi (Fuel Cell Vehicle) Element ICEV HEV FCV Karoseria Układ napędowy Skrynia biegów Rama nośna Generator..1. Silnik elektrycny Kontroler/inwerter Instalacja wodorowa Do budowy napędu wykorystano silnik firmy Lemco [Rysunek 57] ora akumulatory firmy Trojan. Zestaw ten apewnia odpowiednie parametry trakcyjne dla prototypowego pojadu. Dięki odpowiedniemu sterownikowi silnik może pracować również, jako generator ora spełniać funkcję hamowania regeneracyjnego. Rysunek 57. Silnik Lem D135 Silnik ten charakteryuje się bardo dobrymi właściwościami trakcyjnymi i użytkowymi. Jego małe wymiary umożliwiły realiację ałożonego projektu napędu typu e4wd. Na podstawie preprowadonych obliceń [Rysunek 55] wybrano silnik LEM D135 [Tabela 5]. Silnik ten apewnia autu prędkość jady 65 [km/h] w elektrycnym trybie jady. Moc silnika pokrywa apotrebowanie energetycne w cyklu jady miejskiej, co powoli preprowadić testy użycia paliwa w cyklach typu ECE ora NEDC. Tabela 5. Charakterystycne parametry silnika Lemco Typ Prąd biegu jało. [A] Stała mom. Obr. [Nm/A] Stała Obr. [Obr/V] Reyst. 15kH mw Indukcja mh Moc scyt. [kw] D135 3,5, , ,4 Max spraw. [%] Max prąd [A] Moc nom. [kw] Nom. Obr/m in Napi. Nom [V] Prąd nom [A] Mome nt nom. [Nm] Akumulatory Trojan są typowymi akumulatorami trakcyjnymi [Rysunek 58]. Charakteryują się seregiem parametrów scególnie ważnych punktu widenia astosowania ich w pojeźdie elektrycnym lub hybrydowym. Jedną podstawowych alet jest ich długa żywotność ora odporność na cęste i głębokie roładowania. Na potreby pojadu 67

68 demonstracyjnego dobrano estaw seściu akumulatorów. Pojemność estawu apewnia autu wystarcającą, w cyklu jady miejskiej, autonomię jady w trybie elektrycnym. Rysunek 58. Akumulatory firmy Trojan W skład napędu elektrycnego wchodi również sterownik silnika, prostownik, prepustnica, bepiecniki, okablowanie ora inne drobne cęści elektrycne [Rysunek 59]. Głównymi kryteriami doboru sterownika silnika było apewnienie funkcji napędu hybrydowego: jada w trybie elektrycny, jada w trybie miesanym, hamowanie regeneracyjne. Dobrany estaw powala realiować wsystkie ałożone funkcje. Dodatkowo ałożono możliwość miany podstawowych parametrów napędu w casie recywistym, co ułatwi preprowadenie badań doświadcalnych. Rysunek 59. Komponenty układu elektrycnego [6] 68

69 Projekt prebudowy pojadu demonstracyjnego akłada utrymanie funkcji użytkowych pojadu. Dięki kompaktowej abudowie silnika elektrycnego wra estawem akumulatorów możliwym było achowanie tylnego rędu siedeń dla pasażerów. Ze wględu na potrebę instalacji estawu baterii na pokładie samochodu mniejsona ostała prestreń bagażowa samochodu Model numerycny awiesenia pojadu Analia dynamiki awiesenia wymaga opracowania uprosconego modelu dynamicnego pojadu [Rysunek 6]. Rysunek 6. Schemat pryjętego modelu awiesenia samochodu ( M1 - masa koła prawego predniej osi, M masa koła lewego predniej osi, M3 masa koła prawego tylnej osi, M4 masa koła lewego tylnej osi, M5 masa nadwoia) Pry użyciu równań Lagrange a II rodaju wyprowadono równania różnickowe ruchu dla pryjętego schematu modelu awiesenia. Gdie: d dt E q i E qi D q i V q i Q E - energia kinetycna układu D - energia dyssypacji układu V - energia potencjalna układu Q - praca sił ewnętrnych na współrędnych uogólnionych - współrędna uogólniona q i q - prędkość uogólniona i q i (36) 69

70 7 W pryjętym modelu awiesenia występuje siedem współrędnych uogólnionych, które onacają odpowiednio: q i = ( 1,, 3, 4,, x, y ) (37) Gdie: 1 premiescenie dla masy m1 ( prawe koło predniej osi) premiescenie dla masy m ( lewe koło predniej osi) 3 premiescenie dla masy m3 ( prawe koło tylnej osi) 4 premiescenie dla masy m4 ( lewe koło tylnej osi) premiescenie dla masy m5 ( nadwoie) x - kąt obrotu wględem osi x y - kąt obrotu wględem osi y Premiescenia w narożach nadwoia samochodu są równe: y x b c * 1 y x b c * y x b a * 3 y x b a * 4 (38) Gdie: b - serokość całkowita samochodu a, c długości charakteryujące położenie środka masy samochodu - premiescenie dla masy m 5 ( nadwoie) x - kąt obrotu wględem osi x y - kąt obrotu wględem osi y W pierwsej kolejności apisano ależności na energię kinetycną, potencjalną, dyssypacji ora pracę sił ewnętrnych. Zależność na energię kinetycną wynosi: y x Jy Jx E m m m m m (39) Zależność na energię potencjalną wynosi: * * b c b c V y x y x k d k k d k * 4 * 3 * b a b a b a y x y x y x k d k k d k k d k (4) Zależność na energię dyssypacji wynosi: * * b c b c V y x y x c d c c d c * 4 * b a b a y x y x c d c c d c (41)

71 71 Zależność na pracę sił ewnętrnych: d c d k d c d k d c d k d c d k Q (4) Ropatrywany układ posiada siedem współrędnych uogólnionych, tego też wględu należy apisać siedem równań różnickowych ruchu określających ruch poscególnych mas i kątów obrotu wględem osi x i y w dowolnej chwili casu. ż ż Q V D E E dt d ż ż Q V D E E dt d ż ż Q V D E E dt d ż ż Q V D E E dt d ż ż Q V D E E dt d x x x x x Q V D E E dt d y y y y y Q V D E E dt d (43) Ostatecnie równania ruchu analiowanego układu pryjmują formę: d c d k b k c k k k k b c c c c c c m y x y x d c d k b k c k k k k b c c c c c c m y x y x d c d k b k a k k k k b c a c c c c m y x y x d c d k b k a k k k k b c a c c c c m y x y x (44)

72 m5 c1 1 c c3 3 c4 4 c1 c c3 c4 c1c cc c3a c 1 c c3 c4 b y k11 k k 33 k 44 k1 k k 3 k 4 k 1c k c k 3a k 4a k1 k k 3 k 4 b x y c4a x J y y c 1 b c c 1 c k1b1k k c 1 k 1 c c c c3 b k 3 a b a c k 3 k 4 b 4 c3b 3 c b x c 3 k 4b a b k a x b c k k 4 1 b c 1 c3 k k 3 b c b c3 c 4 b y b k b 3 k k 4 b y b 4 b c 4 b Otrymane równania ruchu apisane do postaci macierowej: Mq Cq Kq Q (45) J X X c c 1 1 c c c3a 3 c4a 4 c c 1 c c c a 3 c a 4 c1c cc c3a c4a x c c c c c a c a b y k 1c1 k c k a 3 3 k 4a4 k c 1 k c k a 3 k a 4 k1c k c k 3a k 4a x k c k c k a k a b y (46) Gdie: M - macier bewładności układu K - macier stywności układu C - macier tłumienia Q - wektor uogólnionych sił wymusających od nawierchni q - wektor uogólnionych premiesceń ( w postaci maciery jednokolumnowej) q - wektor uogólnionych prędkości ( w postaci maciery jednokolumnowej) - wektor uogólnionych pryśpieseń ( w postaci maciery jednokolumnowej) q Macier bewładności układu: m 1 m m 3 M = (47) m 4 m 5 I x I y Wektor uogólnionych pryśpieseń ( w postaci maciery jednokolumnowej): q (48) x T y 7

73 Macier tłumienia: c 1 c 1 C = (49) ( c) 1 c 1 c ( c) c 31 c 3 ( c) 3 c 41 c 4 ( c) 4 ( c) 1 ( c) ( c) 3 ( c) 4 c 1 c c 3 c 4 ( c). 1 c ( c). c. c 3 a. c 4 a c. 1 c c. c c. 3 a c 4 ( c). 1 b. c b ( c). 3 b. c 4 b c. 1 c c 3 c 4 b ( c). 1 c ( c). c. c 3 a. c 4 a. c 1 c. c c. c 3 a. c 4 a c. 1 c c. c c. 3 a c. 4 a c.. 1 c c. c c. 3 a c. 4 a b ( c). 1 b. c b ( c). 3 b. c 4 b. c 1 c c 3 c 4 b c.. 1 c c. c c. 3 a c. 4 a b c. 1 c c 3 c 4 b Wektor uogólnionych prędkości ( w postaci maciery jednokolumnowej): q x T y (5) Macier stywności układu: K = k 1 k 1 ( k) 1 k 1 k ( k) k 31 k 3 ( k) 3 k 41 k 4 ( k) 4 ( k) 1 ( k) ( k) 3 ( k) 4 k 1 k k 3 k 4 ( k). 1 c ( k). c. k 3 a. k 4 a. k 1 c. k c. k 3 a k 4 ( k). 1 b. k b ( k). 3 b. k 4 b. k 1 k k 3 k 4 b (51) ( k). 1 c ( k). c. k 3 a. k 4 a. k 1 c. k c. k 3 a. k 4 a k. 1 c k. c k. 3 a k. 4 a k.. 1 c k. c k. 3 a k. 4 a b ( k). 1 b. k b ( k). 3 b. k 4 b. k 1 k k 3 k 4 b k.. 1 c k. c k. 3 a k. 4 a b k. 1 k k 3 k 4 b Wektor uogólnionych premiesceń: Wektor sił ewnętrnych (wymuseń od nawierchni): x T y q (5) q k11d1 k 1d k31d 3 k 41d 4 (53) Po otrymaniu końcowych równań ruchu dla modelu awiesenia, otrymane maciere tłumienia, stywności i sił ewnętrnych układu ora dane technicne samochodu potrebne do obliceń apisano odpowiednio w programie MATLAB. Tak opracowany program wykorystano do preprowadenia seregu symulacji. Wyniki symulacji najadu na preskodę predstawiono poniżej [Rysunek 61]. Założono, że samochód najeżdża na próg kołami predniej osi. T 73

74 Rysunek 61. Najad samochodu na próg walniający kołami predniej osi Kolejnym analiowanych wariantów symulacji było najechanie jednym kół na preskodę. Samochód napotyka się na preskodę prawym kołem predniej osi [Rysunek 6]. Rysunek 6. Najad jednym kołem na preskodę W kolejnym prypadku pryjęto, że samochód najeżdża na diurę w jedni kołem prawym tylnej osi o głębokości.5 metra [Rysunek 63]. 74

75 Rysunek 63. Najad jednym kołem na ubytek nawierchni Model dynamiki awiesenia ostał budowany w celu sprawdenia charakterystyk awiesenia pojadu demonstracyjnego po mianach konstrukcyjnych Model silnika elektrycnego Preentowany model matematycny silnika ostał uproscony do opisu jego właściwości napędowych [77]. W modelu tym pryjęto następujące ałożenia: obwód magnetycny silnika jest nienasycony, momenty reluktancyjne są pomijalnie małe, nie uwględnia się jawiska oddiaływania twornika, pomija się składowe mienne: napięcia rotacji, prądu twornika i momentu elektromagnetycnego. Najważniejse parametry silników astosowanych w modelu predstawiają się następująco: Moc namionowa P N =1439 W, Napięcie namionowe U N =84 V, Moment namionowy T N =36,4 Nm, Moment bewładności koło-prekładnia-silnik sprowadony na wał silnika J n =, kgm, Prędkość namionowa n N =378 obr/min, Reystancja uwojenia R= Ω, Indukcyjność uwojenia L=5μH, Prąd biegu jałowego I =3,5A, Równania silnika wra prekładnią mechanicną pracującego w układie napędowym mają postać 75

76 di( t) 1 ( u( t) e( t) Ri( t)) dt L e( t) k E m ( t) d m ( t) 1 m ( t) ( T ( t) To ( t) T f ) dt J n mn T ( t) k E i( t) (54) Gdie: L - indukcyjność uwojenia, R - reystancja uwojenia, e(t) - siła elektromotorycna rotacji indukowana w tworniku pochodąca od magnesu trwałego, i(t) - prąd w tworniku, Φ - strumień magnetycny, k E - stała konstrukcyjna silnika, ω mn - namionowa prędkość kątowa, T(t) - moment elektromagnetycny, T o (t) - moment obciążenia, T f - moment tarcia silnika wra prekładnią, T f = Nm, pry cym ałożono, że prekładnia mechanicna nie ma luów. Stała konstrukcyjna określona a pomocą parametru E 1 ostała apisana w postaci K E E k E a jej wartość wynosi K E =,5 1-3 Vs /rad. Siłę elektromotorycną rotacji pochodącą od magnesu trwałego, w prypadku pracy ustalonej silnika, predstawiono w postaci 1 1 (55) e Moment elektromagnetycny określono natomiast ależnością K E m (56) (57) Wprowadając do równań wyrażenie określające elektromagnetycną stałą casową τ e silnika T K E i elektromechanicną stałą casową τ m: e L R (58) ora współcynnik momentu tarcia: m J R K n E (59) Wobec tego układ równań prekstałca się do postaci: K Tf T f mn (6) 76

77 d m dt di 1 K E 1 u m i dt er er e R KTf R R i m K K K Równanie można apisać w postaci operatorowej m E m E m E T o (61) U ( s) K E m ( s) I( s) R(1 s e ) R m ( s) [ K E I( s) To ( s) KTf m ( s)] s mk Równaniom można pryporądkować schemat blokowy jak na rysunku [Rysunek 64]. Jest to schemat blokowy silnika prądu stałego wbudanego magnesem trwałym prekładnią mechanicną. E T (6) (+) u (-) e 1 R 1 1 s e i K E Te To (-) (-) R s K m E m K Tf K E Rysunek 64. Schemat blokowy silnika prądu stałego wbudanego magnesem trwałym [77] W modelu silnika, który pracuje w stanie ustalonym pry asilaniu napięciem U i obciążeniu momentem T o, w casie pracy mogą wystąpić aburenia napięcia o wartości u(t) i momentu obciążenia o wartości T o (t). u( t) U u( t) i( t) I i( t) T( t) T ust T ( t) T ( t) T o o ( t) T ( t) o m must ( t) m (63) Podstawiając otrymuje się T ust d( I i( t)) U u( t) R( I i( t)) L K E ( dt d( must m ( t)) T ( t) To To ( t) J n K dt must Tf ( t)) ( must m ( t)) m (64) Równanie można rodielić na dwa układy równań: równania opisujące stan ustalony 77

78 78 m Tf o ust m E K T T K RI U (65) równania dla parametrów pryrostowych ) ( ) ( )) ( ( ) ( ) ( )) ( ( ) ( ) ( t K t T dt t d J t T t K dt t i d L t i R t u m Tf o m n m E (66) pry cym ) ( ) ( t i K t T E (67) W układie napędowym mogą wystąpić aburenia napięcia asilania u(t) i momentu obciążenia T o (t). Jeśli ałożyć, że T o (t)= a u(t) to rowiąaniem równania w postaci operatorowej są funkcje: R K K s s I RK s s R s K s U s I Tf E m E m e m E ) ( ) ( ) (1 ) ( ) ( ) ( (68) Transmitancja operatorowa silnika i prekładni pry stałym momencie obciążenia T o (t)= i mianie napięcia asilania u(t) : ) (1 1) ( 1 ) ( ) ( ) ( e Tf m m e E m U s RK s s K s u s s G (69) Jeśli natomiast napięcie jest stałe u=, a aburenie pracy napędu jest spowodowane mianą momentu obciążenia T o (t), to: R K K s s T s I K R s s R s K s I Tf E m o E m e m E )) ( ) ( ( ) ( ) (1 ) ( ) ( (7) Podcas skokowej miany momentu obciążenia odpowiedią układu jest miana prędkości kątowej ω m a transmitancja operatorowa pryjmuje postać ) (1 1) ( ) (1 ) ( ) ( ) ( e Tf m m e E e o m T s RK s s K s R s T s s G (71) Znak minus we wore onaca, że pry wroście momentu obciążenia T o (t) > prędkość kątowa mniejsa się. Preprowadone pomiary pokaały, że m e 1 (7) Zakładając w równaniach transmitancji G U (s) i G T (s) że τ e =, otrymuje się

79 GU ( s) K GT ( s) K E ( s E m ( s m 1 1) K R Tf 1) K Wględny współcynnik tłumienia opisany ależnością Tf R R (73) m T.5 1 cego wynika, że wsystkie prebiegi w stanach nieustalonych pry skokowych mianach napięcia lub momentu obciążenia silnika prekładnią i kołem jednym można aproksymować funkcją jednowykładnicą o stałej casowej K E K E K e Tf m R Powsechnie stosowaną strukturą układu sterowania silników prądu stałego wbudanego magnesami trwałymi jest układ nadrędnym regulatorem prędkości i podrędnym regulatorem momentu [Rysunek 65]. Regulacja prądu odbywa się w taki sposób, aby wartość prądu silnika i była równa wartości adawanej i pre nadrędny regulator prędkości. (74) (75) i m M Układ logicny Regulator prądu Regulator prędkości Z m iz TG Rysunek 65. Schemat układu sterowania silnika prądu stałego wbudanego magnesami trwałymi [77] Zmiana prędkości silnika prądu stałego wbudanego magnesami trwałymi, jak wynika ależności może odbywać się na drode: m 1 ( U I( R R k E d )) (76) miany wartości napięcia asilającego, pry R d =, miany reystancji dodatkowej R d w obwodie twornika, pry U=const, miany strumienia wbudenia (w silnikach PM nie stosowana). 79

80 m Z m 5. Program komputerowy do badań symulacyjnych 5.1. Algorytm programu symulacyjnego Program symulacyjny służy, jako narędie wspomagające proces projektowania napędu hybrydowego pojadu osobowego. Program umożliwia oblicenia średniego użycia paliwa samochodu w adanych cyklach jady. Oprogramowanie ostało wykonane w środowisku Matlab/Simulink. W programie wykorystano doświadcalne mapy użycia paliwa. Program umożliwia oblicenia na podstawie typowych cykli jady lub prejadów testowych. Wyniki obliceń wspomagają proces doboru podespołów elektrycnych napędu. Tabela 6. Dane silnika 1,3 MultiJet [1] 1.3 Multijet 7 KM 1.3 Multijet 75 KM 1.3 Multijet 4x4 Średnica cylindra [mm] Skok [mm] Pojemność całkowita [cm3] Moc maksymalna (kw CEE) 4 [Obr/min] 4 [Obr/min] 4 [Obr/min] Moment maksymalny (Nm CEE) Prędkość obrotowa biegu jałowego (Obr/min) 83±5 83±5 83±5 Stopień sprężania 18.1± ± ±.4 Program symulacyjny prygotowany w środowisku MATLAB umożliwi preprowadenie wstępnych obliceń parametrów eksploatacyjnych napędu samochodu, które posłużą do doboru pojemności estawu baterii ora mocy silnika elektrycnego tak, aby spełnione były wstępne ałożenia dotycące dynamiki ora asięgu pojadu [Rysunek 66]. Model pojadu Model silnika diesla Algorytm sterujący Wyniki obliceo Model silnika elektrycnego Model akumulatorów Symulacje 3D n M Układ logicny Układ PWM Regulator PI (VirtualReality Toolbox) Pretw f/u Rysunek 66. Schemat programu symulacyjnego [6] 8

81 Modułowa struktura programu obliceniowego ora wykorystanie danych eksperymentalnych powalają na sybką konfigurację elementów składowych napędu [Rysunek 67]. Powala to w sybki i łatwy sposób mieniać i modyfikować badany obiekt popre mianę plików danymi silników, skryni biegów ora danych pojadu. Dane pojadu Silnik spalinowy Algorytm sterujący Zużycie paliwa Cykl jady Silnik elektrycny Zestaw akumulatorów Rysunek 67. Schemat blokowy predstawiający asadę diałania algorytmu symulacyjnego [6] Model silnika spalinowego ostał opracowany w programie Matlab/Simulink powala na oblicenia użycia paliwa w stanach ustalonych ora symulacje użycia podcas adanych cykli jady takich jak ECE, NEDC lub EUDC [Rysunek 68]. Prełożenia skryni biegów Prędkość adana Cykl jady Model dynamiki pojadu - opory powietra - siły bewładności - opory tocenia - opory wewnętrne - sprawność skryni biegów - straty wynikające pracy urądeń peryferyjnych Moc wymagana Moc wymagana Mapa użycia paliwa obr/min Charakterystyka mocy i momentu Zużycie paliwa Dane pojadu Rysunek 68. Algorytm modelu użycia paliwa [6] Wartość siły napędowej wymaganej do utrymania prędkości w symulowanym cyklu jady jest oblicana w bloku modelu pojadu, w którym brane pod uwagę są siły oporu 81

82 diałające na pojad w trakcie jady. W kolejnym kroku, na podstawie charakterystyk mocy i momentu silnika określana jest wymagana prędkość obrotowa silnika. Ostatnim etapem jest oblicenie średniego użycia paliwa na podstawie mapy chwilowego użycia paliwa ora aktualnej prędkości obrotowej silnika. Moc oporów ruchu ależy od prędkości samochodu i wynosi: Gdie: v prędkość liniowa pojadu [m/s] m c całkowita masa pojadu [kg] g pryspiesenie iemskie [m/s ] c t współcynnik oporu tocenia A c powierchnia cołowa pojadu [m ] C x współcynnik oporu powietra w kierunku wdłużnej osi symetrii pojadu (77) Rysunek 69. Miejski cykl jady ECE Cykl jady określa, jaką prędkością ora na którym biegu pojad ma się porusać w adanym okresie casu [Rysunek 69]. Jako dane wejściowe modelu traktuje się również masę pojadu, dynamicny promień koła, prełożenia skryni biegów ora sprawność układu. Ekran główny programu obliceniowego predstawiono na poniżsym rysunku [Rysunek 7]. 8

83 Rysunek 7. Program powalający na oblicanie użycia paliwa podcas adanego cyklu jady [6] Wykorystywana mapa użycia paliwa opracowana jest na podstawie danych eksperymentalnych. W taki sam sposób może być również oblicana emisja skodliwych substancji do otocenia. Ponieważ jednak emisja gaów wylotowych nie była istotna punktu widenia prowadonego projektu nie ostała uwględniona w modelu. Niemniej jednak implementacja modułu powalającego na preprowadanie takich symulacji nie jest problematycna i może być łatwo wprowadona do modelu w prysłości. Na siłę oporu pojadu w ruchu ma wpływ kilka cynników. Najwięksy udiał mają jednak opory powietra (F A ), których wielkość uależniona jest od prędkości pojadu. Ponadto na wielkość wypadkowej siły oporu składają się: opory tocenia (F R ), opory wewnętrne (F I ), opory wniesienia (F G ) ora siły bewładności (F a ). Całkowitą siłę oporu (F C ) można wyraić ależnością: F C F F F F F (78) A R Algorytm obliceniowy powala wynacyć użycie paliwa na podstawie wyliconej mocy wymaganej do pokonania oporów ruchu wynikających adanego cyklu jady [Rysunek 71]. I G a 83

84 START Cy poprawne dane? T N Oblic opory ruchu Oblic wymaganą moc silnika Cy preciążony? T N Oblic użycie paliwa Zgłoś błąd Rysunek 71. Schemat ideowy algorytmu obliceniowego[11] Preprowadenie obliceń wymaga wprowadenia danych wejściowych opisujących konstrukcję samochodu i adane parametry jady [Rysunek 7]. Opracowany algorytm powala w łatwy i sybki sposób mieniać badane cykle jady ora takie dane jak charakterystyka silnika, prełożenia skryni biegów cy parametry ogumienia. Dane badanego cyklu jady podawane są w postaci ewnętrnych plików binarnych. Rysunek 7. Parametry wejściowe modelu obliceniowego [6] 84

85 Blok dynamicnego modelu pojadu powala na oblicenie całkowitej siły oporu, która w dalsej cęści programu traktowana jest jako wymagana siła napędowa, pochodąca od silnika, która apewni adaną prędkość. W obliceniach brane są pod uwagę siły oporowe oddiaływujące na porusający się samochód. Najwięksy wpływ na całkowitą siłę oporową ma siła oporu powietra. Wartość tej siły rośnie wra e wrostem prędkości pojadu i jest ależna głównie od współcynnika oporów powietra C x ora powierchni cołowej pojadu. W celu obniżenia użycia paliwa konstruktory poświęcają scególną uwagę budowie nadwoia pojadu już na etapie projektu, tak aby obniżyć wartość współcynnika C x. Wartości tych współcynników wynacono na podstawie danych udostępnionych pre producenta [Rysunek 73]. Gdie: 1 FA CX kaf v F A całkowita siła oporów powietra [N] C x współcynnik oporów powietra A p powierchnia cołowa pojadu [m ] v prędkość pojadu [m/s] - gęstość powietra [kg/m 3 ] (79) Rysunek 73. Podstawowe wymiary samochodu Fiat Panda [1] Tabela 7. Podstawowe wymiary samochodu Fiat Panda [1] A [mm] B [mm] C [mm] D [mm] E [mm] F [mm] G [mm] 1.3 MultiJet MultiJet 4x4 CROSS

86 Pry niskich prędkościach jady duży udiał całkowitej siły oporu stanowi siła oporów tocenia [Rysunek 74]. Wartość tej siły jest ależna od rodaju nawierchni ora prędkości pojadu. Do obliceń pryjęto współcynniki oporów tocenia odpowiednie dla nawierchni asfaltowej. Gdie: F C m C t współcynnik uależniony od rodaju nawierchni m c masa całkowita [kg] g pryspiesenie iemskie [m/s ] - prędkość kątowa kół [1/s] T t C g (8) Rysunek 74 Wpływ prędkości tocenia koła na promieniową stywność ogumienia [33] Siły oporów wewnętrnych wiąane są e sprawnością mechanimu preniesienia napędu. Wartość ta ostała wynacona doświadcalnie i w symulacjach ałożono jej stałą wartość w całym cyklu jady. Zredukowaną masę układu napędowego wynacono pre porównanie energii kinetycnej wsystkich cłonów układu. skąd: Gdie: (81) (8) prędkość kątowa osi pryjętej a oś redukcji v i prędkość postępowa środka masy i-tego cłonu o masie m i 86

87 i prędkość kątowa i-tego cłonu I i moment bewładności i-tego cłonu wględem osi prechodącej pre środek masy v prędkość pojadu Opracowany program komuterowy oblica wymaganą siłę napędową na podstawie parametrów wejściowych ora adanego cyklu jady [Rysunek 75]. Opory powietra 1 FA CX kaf v Opory tocenia F R C m g Opory wewnętrne Stała wartośd t c Sprawnośd skryni biegów Siła wymagana Opory wniesienia F G mg sin Siły bewładności F a ( m m\ r) a Rysunek 75. Algorytm oblicający opory ruchu [6] (- gęstość powietra, c X współcynnik oporów powietra, A F powierchnia cołowa pojadu, v prędkość adana, C t współcynnik oporu tocenia (ależny od rodaju nawierchni), m masa pojadu, m r redukowana masa układu napędowego - nachylenie drogi, a pryspiesenie pojadu) Wymagana siła napędowa jest również ależna od sprawności skryni biegów ora układu preniesienia napędu. Algorytm wynaca sumę sił oporów tocenia, powietra, sił bewładności, oporów wewnętrnych ora oporów wniesienia. Rysunek 76. Model obliceniowy siły oporów jady [6] 87

88 Pry obliceniach mocy wymaganej do utrymania adanej prędkości jady należy uwględnić sprawność skryni biegów [Rysunek 76]. Wartość ta oblicana jest na podstawie map sprawności, które określają procentową sprawność w adanym prełożeniu uależnioną od obrotów silnika i bieżącego obciążenia silnika [Rysunek 77].. Rysunek 77. Mapa sprawności prykładowej skryni biegów Sprawność jest uależniona od aktualnego prełożenia skryni biegów. Dla każdego biegu wartość ta jest oblicana na podstawie eksperymentalnej mapy sprawności. Prykładowe wartości sprawności dla poscególnych biegów estawiono w tabeli [Tabela 8]. Tabela 8. Prybliżone sprawności mechanicne układu napędowego [1] Element Sprawność Bieg pierwsy,9 Bieg drugi,94 Bieg treci,94 Bieg cwarty,94 Prekładnia główna,95 Wał napędowy 1 Wartość tak obliconej siły oporów jest wykorystywana w kolejnym bloku do wylicenia chwilowego użycia paliwa. Głównym elementem bloku jest mapa użycia paliwa na podstawie, której wylicane jest chwilowe użycie paliwa [g/s]. Mapa użycia paliwa wcytywana jest ewnętrnego pliku binarnego. Wartość chwilowego użycia paliwa oblicana jest na podstawie prędkości obrotowej wału silnika ora chwilowego apotrebowania mocy [Rysunek 78]. 88

89 Rysunek 78. Model układu oblicającego użycie paliwa w adanym cyklu jady [6] Równolegle do obliceń użycia paliwa sprawdana jest dolność silnika spalinowego do apewnienia mocy niebędnej do utrymania prędkości pojadu w adanym cyklu. W prypadku, kiedy wymagana chwilowa moc prewyżsa moc maksymalną silnika, symulacja jest prerywana a użytkownik otrymuje odpowiedni komunikat [Rysunek 79]. Rysunek 79. Blok wynacający wymaganą moc silnika [6] Minimaliacja użycia paliwa w napędach hybrydowych polega na wykorystaniu silnika spalinowego w jego najefektywniejsym akresie pracy ora odysku energii hamowania. Jest to realiowane popre wykorystanie silnika elektrycnego, jako dodatkowego źródła energii w strefie niskiego ora wysokiego apotrebowania mocy. 89

90 Układ sterujący pracą napędu hybrydowego wykorystuje algorytm uwględniający wiele parametrów pracy układu. Prepływ energii w układie jest w głównej miere ależny od poiomu naładowania akumulatorów. W prypadku, kiedy poiom ten jest niski samochód nie może jeźdić w trybie elektrycnym lub miesanym. Algorytm uwględnia właściwości użytkowe baterii utrymując minimalny poiom naładowania i jednoceśnie abepiecając je pred nadmiernym roładowaniem i utratą żywotności. Rysunek 8. Prykładowa mapa użycia paliwa [6] Algorytm sterujący będie decydował o tym, w jakim trybie będie pracował pojad na podstawie wymuseń adanych pre kierowcę ora danych statystycnych opracowanych na podstawie preprowadonych symulacji [Rysunek 8]. Dobór dolnych i górnych akresów pracy układu powoli na optymaliację diałania napędu i minimaliację użycia paliwa w ależności od preprowadanego cyklu. Wynikem jest bardiej efektywne wykorystanie potencjału silnika spalinowego. Do podstawowych parametrów regulacyjnych ropatrywanego układu należy alicyć: prędkość maksymalną pojadu w trybie elektrycnym, poiom wspomagania silnika elektrycnego w trybie miesanym, poiom hamowania regeneracyjnego, minimalny poiom naładowania akumulatorów. Zmiana akresu jednego tych parametrów ma bepośredni wpływ na parametry dynamicne ora ekonomikę napędu. 9

91 5.. Analia poprawności modelu w ustalonych cyklach jady Program obliceniowy wykonany w środowisku Matlab\Simulink powala wynacyć użycie paliwa pojadu w adanym cyklu jady. Oprogramowanie wykonano na podstawie statystycnych map użycia paliwa. Wyniki są więc uależnione od poprawności wprowadonych danych. Zaletą tej metody jest możliwość wykonywania sybkich obliceń numerycnych, dięki cemu można łatwo dokonać pełnej analiy pracy układu. W celu weryfikacji poprawności diałania programu wyniki obliceń porównano wynikami obliceń oprogramowania Powertrain wykonanym w centrum rowoju Fiata w Turynie [Rysunek 81]. Rysunek 81. Parametry symulacji oprogramowania wykonanego w CRF (Centrum Rowoju Fiata) Porównanie wykonano dla identycnych parametrów wejściowych prędkości, ałąconego biegu ora danych konstrukcyjnych samochodu. Pomiary wykonano dla prypadków e stałą prędkością ora dla standardowego cyklu ECE [Tabela 9]. Wyniki te porównano również danymi eksploatacyjnymi podawanymi pre producenta. 91

92 Tabela 9. Wyniki symulacji dla ustalonych prędkości jady [6] Prędkość [km/h] Bieg Zużycie paliwa [l/1km] Zużycie paliwa Powertrain [l/1km] ECE Analiy potwierdają poprawność algorytmu. Odchylenia wyników wsystkich symulacji, arówno stanów ustalonych jak i adanych cykli, nie prekracają 5%. Zapewnia to poprawność wykorystania algorytmu do dalsych anali napędu Omówienie standardowych cykli jady Charakterystycną cechą ruchu samochodu są cęste miany prędkości i kierunku jady uależnione od warunków otocenia. Cęstotliwość tych mian jest najwięksa w ruchu miejskim. Prebieg prędkości pojadu w funkcji casu predstawia profil prędkości. Profil składa się trech podstawowych fa pryspiesania, jady e stałą prędkością i ruchu opóźnionego. Podstawowymi parametrami charakteryującymi profil prędkości są: całkowita droga prebyta w cyklu, całkowity cas prejadu, średnia prędkość prejadu, licba fa predielonych postojami, casy postoju. Wobec braku międynarodowych norm określających metodykę pomiarów użycia paliwa stosuje się różne cykle jady, które pierwotnie opracowano do testowania emisji toksycnych gaów [Rysunek 8]. Cykle te stosuje się do badań porównawcych w symulowanych 9

93 warunkach ruchu. Europejski cykl ECE ostał opracowany pre Europejską Komisję Gospodarcą i jest stosowany we wsystkich krajach europejskich. Rysunek 8. Prykładowy profil prędkości Cykl może ostać wykonany na płaskiej drode pry umiarkowanym wietre. Jednakże, aby podnieść powtaralność wyników testy wykonywane są na stanowiskach laboratoryjnych. Stanowiska te są wyposażone w silniki symulujące opory ruchu, jakich pojad donawałby w trakcie jady. Do stanowiska dołącany jest wentylator, który apewnia warunki, w jakich samochód najduje się podcas jady. Wynikami testów są: Miejskie użycie paliwa ( pierwse 8 sekund), Wmożone miejskie użycie paliwa (8-1 sekund), Całkowite użycie paliwa (-1 sekund), Emisja CO [Tabela 3]. Tabela 3. Emisja dwutlenku węgla samochodu Fiat Panda [1] 1.3 Multijet 1.3 Multijet 7 KM 75 KM 1.3 MultiJet 4x4 Wartość maksymalna (g/km) Na własności dynamicne i energetycne samochodu mają wpływ również takie cynniki jak stan technicny pojadu, romiescenie i ciężar bagażu ora stan nawierchni. W celu weryfikacji poprawności obliceń programu wyniki symulacji dla standardowych cykli jady porównano danymi producenta. Symulacje preprowadono dla cykli ECE, EUDC [Rysunek 83] ora NEDC. Pierwsym badanych cykli jest cykl ECE. Danymi wejściowymi cyklu jest prędkość pojadu ora prełożenie skryni biegów. Cykl trwa 196 sekund i obejmuje fay ropędania, hamowania ora jady ustaloną prędkością. Cykl ten jest typowy dla jady miejskiej. 93

94 Rysunek 83. Cykl jady typu EUDC (Extra Urban Driving Cycle) Rysunek 84. Wyniki symulacji dla cyklu ECE [6] (1 prędkość [km/h], apotrebowanie na moc [kw], 3 chwilowe użycie paliwa [g/s]) Wyniki symulacji wskaują na średnie użycie paliwa w wysokości 4,93 l/1 km [Rysunek 84]. Kolejnym badanych cykli jest cykl EUDC (European Urban Driving Cycle). Cykl ten trwa 4 sekund i obejmuje opróc jady miejskiej również cykl poamiejski. Wyniki symulacji wskaują na średnie użycie paliwa w wysokości 4,6 1 [l/1km] [Rysunek 85]. 94

95 Rysunek 85. Wyniki symulacji dla cyklu EUDC [6] (1 prędkość [km/h], apotrebowanie na moc [kw], 3 chwilowe użycie paliwa [g/s]) Kolejnym badanym cyklem był cykl NEDC (New European Driving Cycle). Cykl ten trwa 118 sekund i obejmuje jadę prędkościami do 1 km/h. Wyniki symulacji wskaują na średnie użycie paliwa w wysokości 4,33 l/1km [Rysunek 86]. Rysunek 86. Wyniki symulacji dla cyklu NEDC [6] (1 prędkość [km/h], apotrebowanie na moc [kw], 3 chwilowe użycie paliwa [g/s]) Celem preprowadonych symulacji była weryfikacja poprawności diałania algorytmu obliceniowego. Wyniki symulacji porównano danymi producenta ora wynikami obliceń oprogramowania Powertrain. Uyskane wartości wskaują na poprawność algorytmu. Wartość użycia paliwa dla każdego cykli są bliżone a różnice nie prekracają 5%. Wynacanie typowych cykli jady w aglomeracji śląskiej preprowadono pry wykorystaniu danych bieranych podcas testowych prejadów pry wykorystaniu sygnałów cujników GPS ainstalowanych w samochodie. Dane ostały następnie prekonwertowane do plików typu kml ora naniesione na mapy satelitarne w celu wiualiowania prebytej trasy. 95

96 Rysunek 87. Wiualiacja trasy numer 1[6] Rysunek 88. Dane ebrane w trakcie prejadu numer 1 [6] Rysunek 89. Wyniki symulacji dla cyklu numer 1 [6] 1 prędkość [km/h], apotrebowanie na moc [kw], 3 chwilowe użycie paliwa [g/s] 96

97 Wyniki symulacji wskaują na użycie paliwa w wysokości 4, l/1km. Symulacja pracy napędu hybrydowego dla tego cyklu wskauje na możliwość obniżenia użycia paliwa do wartości 3,6 l/1km co onaca oscędności rędu 4% [Rysunek 89]. Rysunek 9. Wiualiacja trasy numer [6] Rysunek 91. Dane ebrane podcas prejadu numer [6] Rysunek 9. Wyniki symulacji dla cyklu numer [6] 1 prędkość [km/h], apotrebowanie na moc [kw], 3 chwilowe użycie paliwa [g/s] 97

98 Wyniki symulacji wskaują na użycie paliwa w wysokości 5,8 l/1km. Symulacja pracy napędu hybrydowego dla tego cyklu wskauje na możliwość obniżenia użycia paliwa do wartości 5,33 l/1km co onaca oscędności rędu 31% [Rysunek 9]. Rysunek 93. Wiualiacja trasy numer 3[6] Rysunek 94. Dane ebrane podcas prejadu numer 3 [6] Rysunek 95. Wyniki symulacji dla cyklu numer 3 [6] 1 prędkość [km/h], apotrebowanie na moc [kw], 3 chwilowe użycie paliwa [g/s] 98

99 Wyniki symulacji wskaują na użycie paliwa w wysokości 3,31 l/1km. Symulacja pracy napędu hybrydowego dla tego cyklu wskauje na możliwość obniżenia użycia paliwa do wartości 3,7 l/1km co onaca oscędności rędu 11% [Rysunek 95]. Rysunek 96. Wiualiacja trasy numer 4 [6] Rysunek 97. Dane ebrane podcas prejadu numer 4 [6] Rysunek 98. Wyniki symulacji dla cyklu numer 4 [6] 1 prędkość [km/h], apotrebowanie na moc [kw], 3 chwilowe użycie paliwa [g/s] 99

100 Wyniki symulacji wskaują na użycie paliwa w wysokości 3,6 l/1km. Symulacja pracy napędu hybrydowego dla tego cyklu wskauje na możliwość obniżenia użycia paliwa do wartości 3,47 l/1km co onaca oscędności rędu 4% [Rysunek 98]. Rysunek 99. Wiualiacja trasy numer 5 [6] Rysunek 1. Dane ebrane podcas prejadu numer 5 [6] Rysunek 11. Wyniki symulacji dla cyklu numer 5 [6] 1 prędkość [km/h], apotrebowanie na moc [kw], 3 chwilowe użycie paliwa [g/s] 1

101 Wyniki symulacji wskaują na użycie paliwa w wysokości 4,36 l/1km. Symulacja pracy napędu hybrydowego dla tego cyklu wskauje na możliwość obniżenia użycia paliwa do wartości 3,63 l/1km co onaca oscędności rędu 17% [Rysunek 11]. Rysunek 1. Wiualiacja trasy numer 6 [6] Rysunek 13. Dane ebrane podcas prejadu numer 6 [6] Rysunek 14. Wyniki symulacji dla cyklu numer 6 [6] 1 prędkość [km/h], apotrebowanie na moc [kw], 3 chwilowe użycie paliwa [g/s] 11

102 Oblicone użycie paliwa wynosi 4,1 l/1km. Symulacja pracy napędu hybrydowego dla tego cyklu wskauje na możliwość obniżenia użycia paliwa do wartości 3,75 l/1km co onaca oscędności rędu 6,5% [Rysunek 14]. Tabela 31. Wyniki symulacji [6] Trasa Tryb spalinowy [l/1km] Tryb hybrydowy [l/1km] Zmiana [%] Nr 1 4, 3,6 13 Nr 5,8 5,33 8 Nr 3 3,31 3,7 7 Nr 4 3,6 3,47 4 Nr 5 4,36 3,63 16 Nr 6 4,1 3,75 6 Preprowadone symulacje wskaują na obniżenie użycia paliwa średnio o 9% [Tabela 31]. Wartość ta jest uależniona od akresu prędkości jak i cęstotliwości fay postoju w cyklu. Oscędności będą tym więkse im cęstse i bardiej gwałtowne będą miany prędkości pojadu. Z tego powodu niżse użycie paliwa będie najbardiej widocne w cyklu jady miejskiej Oblicenia symulacyjne dla napędu elektrycnego Wybór silnika elektrycnego ma decydujący wpływ arówno na parametry użytkowe pojadu jak i jego parametry konstrukcyjne. Moc silnika wpływa bepośrednio na elastycność jady w trybie elektrycnym jak i dolność odysku energii kinetycnej hamującego pojadu. Wybór silnika o więksej mocy powala lepiej wykorystać możliwości i alety napędu hybrydowego. Wiąże się to jednak również e więksonym apotrebowaniem energetycnym a więc e więksoną masą akumulatorów. Istnieje, więc potreba odpowiedniego bilansowania mocy silnika elektrycnego wględem spalinowego uwględnieniem masy estawu akumulatorów. Rysunek 15. Model dynamiki napędu tylnej osi pojadu [6] 1

103 W obliceniach roważono astosowanie silnika elektrycnego o mocy 5, 1 ora 15 kw. Preprowadone analiy powoliły określić maksymalne prędkości jady w trybie elektrycnym, akres wspomagania silnika spalinowego w trybie miesanym ora akres hamowania regeneracyjnego. Wyniki anali powoliły bilansować moc silnika elektrycnego ora dobrać stosowną pojemność estawu akumulatorów. Ze wględu na wykorystanie prototypowego pojadu do celów badawcych wybrano silnik elektrycny o mocy 15 kw. Duża moc silnika powala wykorystywać silnik elektrycny w dużym akresie prędkości Algorytm sterujący Algorytm programu uwględniając kilka podstawowych parametrów pracy układu decyduje o rodiale mocy pomiędy silnikiem elektrycnym ora spalinowym [Rysunek 16]. Na podstawie tych wartości system decyduje o tym, w jakim trybie diała napęd. Do podstawowych parametrów alica się: stan naładowania baterii, moc wymagana, prędkość pojadu, poiom wspomagania silnika elektrycnego, poiom hamowania regeneracyjnego. Rysunek 16. Bilans dynamicny silnika elektrycnego [6] Algorytm decydujący o prepływie mocy ostał opracowany w programie Matlab/Simulink pry użyciu narędia Stateflow. Tak opracowane i pretestowane procedury mogą ostać prekonwertowane do kodu jęyka C ora aimplementowane do 13

104 sterowników typu PLC. Algorytm wykorystuje sereg kryteriów, których wartości mogą być regulowane [Rysunek 17]. Kryteria te są wiąane takimi parametrami użytkowymi napędu jak: poiom naładowania baterii ora akres prędkości trybu elektrycnego. Start Cy stan naładowania baterii <% T N Cy prędkośd >6 km/h T N Cy prędkośd < km/h T N Tryb miesany Tryb elektrycny Tryb spalinowy Rysunek 17. Schemat ideowy algorytmu sterującego pracą napędu [6] Na potreby programu symulacyjnego opracowano algorytmy sterujące wykorystaniem narędie StateFlow [Rysunek 18]. 14

105 Rysunek 18. Program sterujący trybami pracy samochodu hybrydowego 1 tryb elektrycny tryb spalinowy 3 tryb spalinowo elektrycny Algorytm uwględnia aktualne prełożenie skryni biegów ora wymusenia adawane pre użytkownika. Na podstawie tych danych ora danych wejściowych wprowadonych do systemu oblicane jest apotrebowanie energetycne. Pry uwględnieniu charakterystyk mocy obu silników tworony jest bilans mocy obu silników ora wysyłane są sygnały wymusające do obu silników napędowych. Rysunek 19. Fragment programu w formie graficnej obraujący blok o nawie elektrycny 1 bieg I bieg II, 3 bieg III, 4 bieg IV, 5 bieg V, 6 bieg wstecny 15

106 Struktura bloku opisującego algorytm sterowania silnika spalinowego składa się siedmiu podbloków symboliujących tryby pracy skryni biegów ( bieg1-5, wstecny ora położenie_neutralne) [Rysunek 11]. Rysunek 11. Fragment programu w formie graficnej obraujący blok o nawie spalinowy 1 bieg I bieg II, 3 bieg III, 4 bieg IV, 5 bieg V, 6 bieg wstecny Wykorystanie silnika elektrycnego w konstrukcji napędu pojadu powala stosować techniki obniżania użycia paliwa. W cyklu jady można wyróżnić try podstawowe tryby: jada w trybie elektrycnym pry niskich prędkościach, wspomaganie silnikiem elektrycnym pry pryspiesaniu ora rekuperacja energii pry hamowaniu [Rysunek 111]. Rysunek 111. Analia trybów jady w cyklu ECE [6] (Zielony tryb elektrycny, Żółty tryb wspomagania, Cerwony hamowanie regeneracyjne) 16

107 Oscędności płynące tych trech trybów są scególnie ważne w cyklu jady miejskiej. W tego typu cyklu występuje wiele nagłych mian prędkości ora prestojów. Straty płynące energii traconej na ropędanie auta ora energii kinetycnej traconej pry hamowaniu mogą ostać bilansowane pre alety napędu elektrycnego. Nadwyżki odyskanej energii są gromadone w estawie akumulatorów, co powala na jej wykorystanie w kolejnych faach ropędania. Rysunek 11. Napęd spalinowo elektrycny widok górny [6] 1 silnik spalinowy, silnik elektrycny Tryb elektrycny napędu powala oscędać nacne ilości energii własca w typowo miejskich cyklach jady [Rysunek 113]. Może być wykorystywany do jady w korkach ulicnych, co ogranica użycie silnika spalinowego w najmniej dla niego korystnym akresie pracy. Dodatkową koryścią jest możliwość jady w obsarach chronionych jak centra dużych miast ora koryści wiąane ulgami podatkowymi wprowadanymi pre rądy niektórych państw. Zbyt długa jada w tym trybie wiąże się jednak koniecnością doładowania estawu akumulatorów. Ładowanie to może odbyć się popre specjalnie prystosowany prostownik powalający na wykorystanie energii sieci elektrycnej lub dięki wykorystaniu silnika elektrycnego, jako prądnicy obciążającej silnik spalinowy podcas jady. Rysunek 113. Jada w trybie elektrycnym [6] 1 silnik elektrycny, estaw baterii, 3 koła napędowe 17

108 W prypadku niskiego poiomu naładowania baterii pojad może być asilany wyłącnie silnikiem spalinowym [Rysunek 114]. W tym trybie jady układ pracuje jak konwencjonalny napęd spalinowy. Tylna oś pojadu nie jest asilana. Tryb ten gwarantuje odpowiedni asięg jady samochodu nawet w prypadku niskiego poiomu naładowania baterii. Rysunek 114. Jada w trybie spalinowym [6] 1 silnik spalinowy, - koła napędowe Tryb jady miesanej powala wykorystać alety silnika elektrycnego w sersym akresie [Rysunek 115]. W trybie hamowania regeneracyjnego odyskiwana jest energia kinetycna normalnie tracona pod postacią ciepła na tarcach hamulcowych. Dodatkowym atutem tego rowiąania jest oscędność elementów mechanicnych układu hamulcowego pred użyciem. W casie nagłego apotrebowania mocy silnik elektrycny współpracuje silnikiem spalinowym, dięki cemu obniżane jest jednostkowe użycie paliwa. Obniżenie użycia paliwa jest ależne od cęstotliwości mian prędkości w cyklu jady. Rysunek 115. Jada w trybie miesanym [6] 1 silnik spalinowy, koła napędowe, 3 silnik elektrycny, 4 estaw baterii, 5 tylna oś napędowa W prypadku niskiego poiomu naładowania baterii mogą one być ładowane podcas jady [Rysunek 116]. Funkcja ta jest możliwa tylko wtedy, gdy chwilowe apotrebowanie mocy, wynikające cyklu jady, nie prekraca mocy maksymalnej silnika spalinowego. Funkcja ta realiowana jest dięki możliwości pracy silnika elektrycnego w reżimie pracy prądnicowej. 18

109 Sterownik silnika umożliwia regulację siły oporowej popre nastawy prądu hamowania programatora. Dięki tej opcji baterie pojadu mogą być ładowane w faach cyklu niewymagających dużych nakładów mocy, prykładowo podcas jady poamiejskiej. Energia gromadona w akumulatorach może ostać wykorystana pry nagłym apotrebowaniu mocy w dalsej cęści cyklu. Gwarantuje to lepse wykorystanie potencjału silnika spalinowego, który więksą cęść cyklu pracuje w niżsym akresie prędkości obrotowej. Rysunek 116. Ładowanie akumulatorów [6] 1 silnik spalinowy, koła napędowe, 3 silnik elektrycny, 4 estaw baterii, 5 tylna oś napędowa Na podobnej asadie realiowana jest funkcja hamowania regeneracyjnego [Rysunek 117]. Podcas hamowania generator wytwara moment oporowy jednoceśnie prekaując energię do estawu baterii. Rysunek 117. Hamowanie regeneracyjne [6] 1- silnik elektrycny, estaw baterii, 3 koła napędowe 19

110 6. Budowa demonstratora pojadu hybrydowego Prace nad budową demonstratora ropocęto od konwersji pojadu do wersji 4x4. Prebudowie uległo tylne awiesenie samochodu. Tylna belka skrętna ostała astąpiona wmocnioną ramą mechanimem różnicowym. W celu apewnienia podstawowych funkcjonalności modyfikacji uległ również układ hamulcowy ora wydechowy. Wymianie uległ również biornik paliwa wra pompą paliwową ora prewodami paliwowymi. Kolejnym etapem było amocowanie silnika elektrycnego wra niebędnym opryrądowaniem ora elementami instalacji elektrycnej. Podłącenie silnika elektrycnego do mechanimu różnicowego wymagało wykorystania wału napędowego wra niebędnymi elementami łącnymi. Ostatnim etapem było podłącenie instalacji napędu elektrycnego ora uruchomienie napędu Założenia projektowe ora opis charakterystyki dynamicnej pojadu Głównym ałożeniem było obniżenie użycia paliwa ora emisji substancji toksycnych pry achowaniu osiągów i dynamiki jady konwencjonalnego samochodu. Jednym problemów było bilansowanie dodatkowej masy pojadu wynikającej dodatkowego estawu baterii [Rysunek 118]. Łącna masa pojadu wrosła o około 7 kg. Wpływa to nacąco na pogorsenie arówno parametrów dynamicnych jak i ekonomiki pojadu. Musi to ostać bilansowane pre koryści płynące wykorystania tego typu napędu. Rysunek 118. Romiescenie elementów napędu [6] 11

111 Spośród wielu możliwych rowiąań napędu hybrydowego wybrano napęd typu e4wd [Rysunek 119]. Wybór ten był uwarunkowany technicnymi możliwościami i łatwością montażu w pojeźdie. Bateria akumulatorów ostała amocowana nad tylną osią pojadu tak, aby achować układ tylnych foteli. Łącnie ainstalowano estaw seściu baterii o masie 5 kilogramów, które ostały umiejscowione nad tylną osią pojadu. Gwarantuje to możliwie równomierne rołożenie masy całego pojadu. Rysunek 119. Opracowany napęd hybrydowy typu e4wd dopojadu FIAT PANDA [6] 1- estaw akumulatorów, mocowanie silnika elektrycnego, 3 silnik elektrycny Jednym elementów budowy napędu był projekt podłącenia silnika elektrycnego [Rysunek 1]. W tym celu dobrano wał napędowy łącący silnik tylnym mechanimem różnicowym ora wykonano elementy montażowe dla silnika ora podłącenia mechanimu różnicowego. Wybrane rowiąane powala realiować wsystkie ałożone tryby pracy: hamowanie regeneracyjne, tryb elektrycny, tryb start-stop, tryb hybrydowy, tryb spalinowy. Tryby te powalają analiować, jakie koryści może nieść wykorystanie napędu spalinowoelektrycnego w cyklu jady miejskiej. 111

112 Rysunek 1. Podłącenie mechanicne silnika elektrycnego [6] 1 mechanim różnicowy, - wał napędowy, 3 silnik elektrycny Wprowadenie napędu tylnej osi więksa właściwości trakcyjne pojadu. Jest to dodatkowa koryść, jaka płynie astosowania napędu typu e4wd. Zestaw akumulatorów amontowano w prestreni bagażowej [Rysunek 11], dięki cemu utrymano prestreń dla pasażerów. Wykonano model wirtualny pojadu w technice CAD, który posłużył do integracji podespołów i wykonania wirtualnego prototypu demonstratora (Rysunek Rysunek 11). Rysunek 11. Elementy napędu elektrycnego [6] 1 układ sterujący napędu elektrycnego, silnik elektrycny 11

113 Instalacja układu elektrycnego w pojeźdie wymagała doboru prewodów o odpowiednim prekroju ora wykonania projektu romiescenia wiąek w pojeźdie. Okablowanie napędu elektrycnego ostało połącone wewnętrną instalacją pojadu [Rysunek 1]. Rysunek 1. Schemat podłącenia komponentów instalacji elektrycnej [6] Wykorystany sterownik programowalny wykorystuje technologię MOSFET połąconą aawansowanym mikroprocesorowym sterowaniem. Dięki temu uyskana ostała wysoka sprawność, cicha praca napędów ora ogranicenie strat na silniku ora bateriach. Praca napędu elektrycnego jest uależniona od uruchomienia stacyjki pojadu. Rysunek 13. Układ sterowania silnika spalinowego[1] 113

114 6.. Wybór komponentów do budowy pojadu ora opis rowiąania typu e4wd Układ napędowy awiera cęść elektrycną ora mechanicną. W cęści mechanicnej wyróżnia się mocowanie silnika elektrycnego, wmocnienia konstrukcji ora połącenie osią napędową. W cęści elektrycnej wyróżnić należy sterownik silnika, układ asilania ora ładowania. Ustawienia sterownika można dostosowywać a pomocą ręcnego programatora. Programator służy arówno do programowania sterownika jak i do stałego odcytu wsystkich parametrów pracy układu [Rysunek 14], w tym: prądu na silniku (prąd pracy lub prąd indukowany pry hamowaniu odyskowym), prądu pobieranego baterii (prąd pracy lub prąd prekaywany do baterii w trakcie hamowania odyskowego), napięcie baterii, temperatura sterownika. Rysunek 14. Programator sterownika silnika elektrycnego [6] Zmiana parametrów może następować w trakcie pracy systemu. Dodatkowym elementem jest programator ekranem dotykowym, który powala arądać pracą systemu: ładowanie podcas jady, inteligentne wspomaganie silnika spalinowego (praca hybrydowa), jada wyłącnie na napędie elektrycnym. Po dokonaniu obliceń dotycących parametrów silnika takich jak moc i moment obrotowy wybrano silnik firmy LEMCO [Rysunek 15]. Jest to jednostka elektrycna o mocy 14 kw. Jednostka ta wytrymuje preciążenie wynosące 7% mocy namionowej achodące w casie nie dłużsym niż kilkadiesiąt sekund, pre co jest bardo elastycna i trwała. 114

115 Rysunek 15. Silnik elektrycny LEMCO Silnik ten charakteryuje się bardo dobrymi parametrami użytkowymi. Podstawową aletą jest jego kompaktowa budowa ora wysoki stosunek mocy do masy. Do głównych alet silnika należy alicyć: wysoka sprawność (do 9%) [Rysunek 16], niska masa (11 kg), proste sterowanie elektronicne, wymienny wał, konstrukcja odporna na wstrąsy, spełnia wymagania naku CE, worcowanie IP, praca w akresie od 1V do 84V, prędkość obrotowa proporcjonalna do napięcia. 115

116 Sprawnośd *%+ 95, 9, 85, 8, 75, 7, 65, 6,, 5, 1, 15,, Prąd *A+ Rysunek 16. Sprawność silnika LEM- D135 Sterownik silnika powala monitorować ora regulować parametry wiąane jego pracą. Powala to ustawiać abepiecenia układu ora wsystkie parametry mające wpływ na pracę układu [Tabela 3]. Wśród ustawień należy wyróżnić abepiecenie akumulatorów, ogranicenie natężenia prądu cy ustawienia stałych casowych hamowania i pryspiesania, Ponadto sterownik powala ładować predefiniowane schematy ustawień. W pamięci podręcnej apisano ctery różne typy ustawień, które różnią się charakterystyką ustawień. Ponadto sterownik powala monitorować pracę układu. Do parametrów, na których podgląd powala układ sterowania to poycja prepustnicy, temperatura silnika, natężenie prądu, kierunek obrotów, parametry akumulatorów, temperatura sterownika. Do najważniejsych funkcji sterownika należy alicyć: Technologia MOSFET apewnia miękką, cichą, efektywną energetycnie i kostowo pracę napędu. Reystor wstępnego ładowania i dioda do stycnika wysokoprądowego ostały wbudowane, co apewnia łatwość montażu i obsługi. Stycnik kierunku jest prełącany bepreciążeniowo. Wsystkie funkcje programowalne. Autodiagnostyka. Możliwy monitoring w casie recywisty. IP

117 Tabela 3. Konfigurowalne parametry programatora [6] Tryb jady Tryb jady w terenie Tryb jady miejskiej Pamięć Ustawienia parametrów Max. prąd jady 17 [A] Max. prąd hamowania 1 [A] Stała hamowania 3,5 [s] Stała pryspiesania 4,5 [s] Ochrona baterii 65 [V] Odcyt parametrów Typ połącenia SER 964 Rodaj sygnału VOL/RES Cujnik ładowania N/Y Cujnik prędkości N/Y Prąd [A] Prąd asilania [A] Napięcie asilania 76 [V] Poycja manetki gau [%] Temperatura sterownika [C] Kierunek jady STOP/FWD/REV 6.3. Opis astosowanych w pojeźdie rowiąań konstrukcyjnych Koncepcja hybrydowego napędu Fiata Panda polega na aimplementowaniu do konstrukcji samochodu prednio napędowego tylnego awiesenia wra prekładnią główną wersji 4x4. Kolejnym krokiem jest dokonanie mian konstrukcji pojadu tak, aby było możliwe połącenie silnika elektrycnego tylnim mechanimem różnicowym. Elementy te ostały połącone e sobą a pośrednictwem dodatkowego adaptera. Do amontowania silnika elektrycnego ostało aprojektowane i wykonane mocowanie umożliwiające umiejscowienie silnika elektrycnego w tunelu płyty podłogowej prebudowywanego pojadu. 117

118 Rysunek 17. Układ napędowy samochodu Fiat Panda 4x4 [6] 1 silnik spalinowy, - wał napędowy, 3 tylny most mechanimem różnicowym Pojad baowy był wstępnie wyposażony w awiesenie centralna belką skrętną, dwoma tw. wahacami wleconymi ora podwójnym układem resorująco tłumiącym składającym się e sprężyn i tłumików gaowych [Rysunek 17]. Seryjne awiesenie astąpiono układem pochodącym modelu w wersji 4x4, co spowodowało więksenie masy pojadu [Tabela 33]. Tabela 33. Masa samochodu Fiat Panda [1] Gotowy do jady, be kierowcy [kg] ( uupełnionymi płynami, kołem apasowym, narędiami i akcesoriami) Gotowy do jady, kierowcą (kg) ( uupełnionymi płynami, kołem apasowym, narędiami i akcesoriami) 1.3 Multijet 1.3 Multijet 4x4 1.3 MultiJet 4x4 Climbing 1.3 Multijet 4x4 CROSS

119 Rysunek 18. Zmiana tylnego awiesenia pojadu [6] Układ ten składa się wóka połąconego wahacami poprecnymi ora podwójnym układem resorująco tłumiącym, w skład, którego wchodą sprężyny ora tłumiki gaowo-olejowe o więksym skoku w stosunku do seryjnie montowanych w tym modelu Fiata. Wykonano dodatkowe ctery otwory w podłużnicach płyty podłogowej tak, aby można było prykręcić wóek jednoceśnie nie osłabiając konstrukcji. Seryjnie montowane sprężyny ostały astąpione twardsymi o innej charakterystyce pracy. Dodatkowo ostały wmocnione prekładkami gumowymi mającymi na celu skompensowanie dodatkowego ciężaru wynikającego amontowania baterii seściu akumulatorów o łącnej masie 4 kg w bagażniku prototypowego pojadu [Rysunek 18]. Zabiegi te miały na celu więksenie preświtu awiesenia i umożliwienie montażu układu napędowego tylnych kół pojadu. Rysunek 19. Tylne seryjne awiesenie samochodu Fiat Panda [6] Kolejnym etapem prac było modyfikowanie układu jednego i hamulcowego. Wymianie uległy piasty kół ora elementy układu hamulcowego. Tradycyjny bębnowy 119

120 współbieżny układ hamulcowy ostał astąpiony bardiej wydajnym układem tarcowym jednotłokowymi aciskami. Zmienione ostały także prewody hamulcowe i elastycne łącniki hamulcowe. Seryjnie montowany dwuelementowy układ wydechowy tłumikiem centralnym i końcowym ostał astąpiony układem jednym, więksym i bardiej wydajnym, końcowym tłumikiem usytuowanym poprecnie. Układ ten wceśniej ostał aadaptowany do abudowy napędu hybrydowego. Rysunek 13. Instalacja tylnego mechanimu różnicowego w prototypowym pojeźdie [6] W celu amontowania nowego układu wydechowego ostały prekonstruowane oryginalne mocowania ora skonstruowano i wykonano nowe. Prace te miały na celu apewnienie możliwie stabilnego położenia tak by cały układ nie premiescał się w trakcie jady i nie miał bepośredniego kontaktu otacającymi go elementami [Rysunek 131]. Rysunek 131. Połącenie silnika elektrycnego tylnym mechanimem różnicowym [6] 1

121 Na potreby projektu dobrano wał napędowy dla silnika elektrycnego. Uwględniając moc silnika elektrycnego prewidiano kołnier EN/DIN1(6x8) o średnicy podiałowej 84 [mm] [Rysunek 13]. Rysunek 13. Zastosowany wał napędowy Połącenie silnika elektrycnego tylnym mechanimem różnicowym wymagało astosowania wału napędowego. Jednym adań było wykonanie elementu łącnego pomiędy tarcą pryłąceniową wału a kołnierem mechanimu różnicowego [Rysunek 133]. Potreba aprojektowania i wykonania elementu wiąana była niegodnością norm wewnętrnych Fiata normami stosowanymi pre producentów wałów napędowych. Rysunek 133. Połącenie wału napędowego silnika elektrycnego [6] 11