ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 5(96)/2013

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 5(96)/2013 Adrian Chmielewski 1, Robert Gumiński 2,Stanisław Radkowski 3 BADANIE NIEZAWODNOŚCIOWE SZEREGOWEGO HYBRYDOWEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO W PROSTYM CYKLU JEZDNYM 1. Wstęp W pracy przedstawiono analizę oraz badanie niezawodnościowe szeregowego hybrydowego układu napędowego (S HEV) w prostym cyklu jezdnym. Każdy rzeczywisty cykl jezdny można przedstawić jako złożenie prostych cyklów jezdnych [1]. Z punktu widzenia użytkownika i producenta istotna jest niezawodność całego układu napędowego odniesiona do konkretnego przedziału czasowego dla którego można określić gwarancję niezawodnościową opisaną poprzez prawdopodobieństwa zawodności każdego z elementów układu z osobna (silnika spalinowego, silnika elektrycznego, prądnicy, mechanizmu różnicowego oraz przekształtników mocy). Przyjęto dla każdej z faz (przyspieszanie, ruch ustalony ze stałą prędkością oraz hamowanie rekuperacyjne ruch opóźniony rysunek 1) odpowiedni schemat niezawodnościowy, któremu odpowiada przepływ mocy w hybrydowym układzie napędowym. Niniejsza praca może posłużyć jako przykład do określania długości okresu gwarancji (odpowiednie prawdopodobieństwo poziomu niezawodności opisane poprzez rozkład Weibulla dla elementów mechanicznych oraz rozkład wykładniczy dla elementów elektronicznych). Oszacowanie stanu pewności badania niezawodnościowego powinno zostać poprzedzone odpowiednio dużą ilością wiedzy statystycznej o każdym z elementów układu z osobna. Rys. 1. Prosty cykl jezdny [1,2] 1 mgr inż. Adrian Chmielewski, doktorant, Wydział SiMR, Politechnika Warszawska, 2 dr inż. Robert Gumiński, Instytut Pojazdów, SiMR, Politechnika Warszawska, 3 prof. Stanisław Radkowski, Instytut Pojazdów, SiMR, Politechnika Warszawska. 107

2 Przy analizie pracy szeregowego hybrydowego układu napędowego i badaniu niezawodnościowym wykorzystano diagram Sankeya, który przedstawiono na rysunku 2. Składa sie on zasadniczo z trzech głównych elementów: pierwotnego źródła energii (silnika spalinowego, który cechuje praca nieodwracalna), wtórnego źródła energii (akumulatory elektrochemiczne, które cechuje praca odwracalna), zespołu napędowego (mechanizmu różnicowego) oraz pomocniczych: przetwornika napięcia i dwóch maszyn elektrycznych. Rys. 2. Przepływ energii w hybrydowym układzie napędowym pojazdu (diagram Sankey a) [1] Gdzie: współczynnik rozdziału mocy, N moc źródła pierwotnego [kw], 1 N moc źródła wtórnego [kw], bat N moc rekuperacji, która jest odpowiednio sumą, N rek a mocy bezwładności pojazdu i mocy N oporu wzniesienia, w sprawność zespołu napędowego, n sprawność ładowania wtórnego źródła energii, zasilanego ze źródła pierwotnego ład/ ak ład / rek sprawność ładowania źródła energii podczas rekuperacji, sprawność wyładowania wtórnego źródła energii, wył Przy analizie pracy układu hybrydowego ważne jest ustalenie i zachowanie kierunków przepływu mocy w układzie napędowym gdy: moc rekuperacji jest większa od zera to wtórne źródło mocy oraz źródło pierwotne nie dostarczają mocy do układu 108

3 napędowego (ich suma mocy wynosi zero zależność 1.1). W przypadku gdy moc rekuperacji jest równa zero, wówczas moc do układu dostarcza jedno ze źródeł (pierwotne bądź wtórne). 0 gdy Nrek 0 1N1 N (1.1) bat 0 gdy Nrek 0 W przypadku gdy moc akumulatora jest większa od zera (akumulator obciążony mocą) to suma mocy źródła pierwotnego i rekuperacji wynosi zero (1.2). Natomiast gdy akumulator jest w stanie jałowym suma mocy rekuperacji i źródła pierwotnego są większe od zera. 0 gdy Nbat 0 1 1) N N (1.2) rek 0 gdy Nbat 0 ( 1 Kolejne stany pracy układu zostały uwzględnione w przeprowadzonej analizie niezawodności. 2. Analiza pracy S HEV w prostym cyklu jezdnym Analizę niezawodności przeprowadzono dla pojazdu poruszającego się w prostym cyklu jezdnym. Praca układu S HEV analizowanego pojazdu charakteryzuje się tym, że Przy prędkości jazdy powyżej 50 km/h włącza się silnik spalinowy, który ładuje akumulatory. Źródłem wtórnym są akumulatory litowo jonowe (które zasilają silnik elektryczny). Źródłem pierwotnym jest silnik spalinowy, którego zakres pracy jest optymalizowany (w zakresie najwyższych sprawności). Do dalszej analizy niezawodnościowej przyjęto następujące założenia pracy układu w prostym cyklu jezdnym [2]: Przyspieszanie (0 t 1 na rysunku 3) duże zapotrzebowanie mocy (działają źródło pierwotne oraz wtórne), do układu dostarczają moc: silnik elektryczny zasilany z akumulatorów Li jon, oraz silnik spalinowy. Rys. 3. Napęd S HEV podczas przyspieszania [2] 109

4 Ruch ustalony (t 1 t 2 na rysunku 4) zapotrzebowanie mocy tylko do utrzymania V= const. (a=0). Moc do układu dostarcza źródło wtórne (silnik elektryczny zasilany przez akumulatory Li jon) Rys. 4. Napęd S HEV podczas ruchu ustalonego [2] Ruch opóźniony (t 2 t 3 na rysunku 5) następuje ładowanie źródła pierwotnego (akumulatorów Li jon) poprzez pracę prądnicową silnika elektrycznego (silnik spalinowy odłączony) Rys. 5. Napęd S HEV podczas hamowania rekuperacyjnego [2] 3. Badanie niezawodnościowe układu S HEV w programie BlockSim7 Badanie niezawodnościowe układu S HEV polegało na wyznaczeniu przebiegów funkcji gęstości prawdopodobieństwa, wzrostu awaryjności układu, funkcji zawodności oraz niezawodności, a także poziomu niezawodności poszczególnych elementów budujących układ w funkcji czasu oraz dla czasu 1500 dni (wykres słupkowy miara Vassely Feussela [4]). Przyjęto czasy zdatności poszczególnych elementów budujących analizowany układ S HEV (jako jednostkę czasu przyjęto dni). Na podstawie informacji zawartych w [5, 6, 7], portalach motoryzacyjnych, [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15] oraz literaturze specjalistycznej [16, 17, 18, 19, 20, 21] przyjęte zostały następujące czasy żywotności poszczególnych elementów układu S HEV: Elementy elektroniczne (trwałość): Akumulatory Li jon ~ 6 8 lat Generator ~8 10 lat (przyjęto 9 lat) Przetwornik ~20 lat Silnik elektryczny 7 10 lat (przyjęto 8 lat) 3300 dni, 3662 dni, 9667 dni, 3662 dni. 110

5 Elementy mechaniczne (trwałość): Mechanizm różnicowy (projektowany by przetrwać życie samochodu) od 15 do 35 lat (przyjęto 20 lat) 7305 dni, Silnik spalinowy (przyjęto pracę z uwzględnieniem wymiany materiałów eksploatacyjnych 20 lat ~1 mln kilometrów) 7310 dni. Należy podkreślić, że powyżej przyjęte dane liczbowe mają charakter orientacyjny. W celu dokładnych badań należałoby przebadać reprezentatywną grupę elementów układu S HEV. Dla elementów elektronicznych przyjęto rozkład wykładniczy, który jest najbardziej odpowiedni do badań niezawodności elementów które nie zużywają się, ponieważ charakteryzuje go,,brak pamięci'' (jeżeli nie wystąpiło uszkodzenie, to prawdopodobieństwo jego wystąpienia nie zależy od poprzedniego czasu pracy i podlega takiemu samemu rozkładowi jak całkowity czas użytkowania elementu). Funkcję gęstości prawdopodobieństwa rozkładu wykładniczego opisuje zależność: f d dt t ( t) R( t) e (3.1) gdzie: funkcja intensywności uszkodzeń, t R (t) funkcja niezawodności R( t) e, t czas. Średni czas do wystąpienia uszkodzenia (Mean time to failure MTTF), dla rozkładu wykładniczego, określa zależność: MTTF R( t) dt t e dt (3.2) Dla rozkładu wykładniczego oczekiwany czas zdatności (średni czas do wystąpienia uszkodzenia) jest równy odwrotności intensywności uszkodzeń (tak ustalona wartość MTTF może być stosowana tylko dla okresu eksploatacji, dla którego można założyć stałość intensywności uszkodzeń. W praktyce funkcja intensywności uszkodzeń zależy nie tylko od właściwości fizycznych rozpatrywanych wyrobów, lecz także od stawianych im wymagań, warunków pracy, obsługi i ogólnie nie jest funkcją czasu pracy (jej przebieg jest określany przez występujące w okresie eksploatacji procesy adaptacji oraz zużycia) ale wtedy nie możemy wykorzystać rozkładu wykładniczego. W monografii [3] można znaleźć przebieg intensywności uszkodzeń dla procesu zużycia eksploatacyjnego. Ogólnie można przyjąć, iż przedział czasu, gdy =const. jest ważnym lecz nie jedynym etapem użytkowania i nie obejmuje całego okresu eksploatacji, dlatego bardziej ogólne rozkłady trwałości elementu układu (wytworu) występują dla const. Dla elementów mechanicznych w przypadku, których występuje jakościowa zmiana funkcji intensywności uszkodzeń w trakcie eksploatacji można wyróżnić okres,,chorób 111

6 wieku dziecięcego'' (dotarcie), okres normalnej eksploatacji oraz okres kumulacyjnego zużycia bardziej odpowiedni jest rozkład Weibulla określony zależnością [3]: 1 t t f ( t) e (3.3) gdzie: parametr kształtu, parametr skali, parametr lokalizacji (, t ), 3.1 Schematy blokowe S HEV (BlockSim7) Analizę niezawodności układu przeprowadzono przy wykorzystaniu programu BlockSim7. Na rysunku 6 przedstawiono strukturę niezawodnościową podczas fazy przyspieszania (według rysunku 1). Rysunek 7 przedstawia schemat układu S HEV podczas ruchu ustalonego natomiast na rysunku 8 przedstawiono schemat układu podczas hamowania odzyskowego ( niezawodność jest funkcją czasu R=R(t)). Rys. 6. Struktura niezawodnościowa podczas przyspieszania Rys. 7. Struktura niezawodnościowa podczas ruchu ustalonego Rys. 8. Struktura niezawodnościowa podczas rekuperacji 3.2 Badanie niezawodnościowe wyniki symulacji Badanie niezawodnościowe ma na celu rozważenie przyszłych zachowań układu S HEV po wielokrotnym powtórzeniu prostego cyklu jezdnego. Umożliwia sprawdzenie jaka będzie niezawodność układu po określonym czasie. Należy zwrócić uwagę na fakt że niezawodności poszczególnych elementów układu mogą zależeć od warunków pracy, a w konsekwencji w rozpatrywanym układzie, od etapu cyklu jezdnego jaki jest rozpatrywany. 112

7 Na rysunkach 9 11 przedstawiono założone funkcje niezawodności elementów składowych, które w połączeniu z zaproponowanymi strukturami niezawodnościowymi pozwoliły na wyznaczenie charakterystyk niezawodnościowych całego układu w poszczególnych etapach cyklu jezdnego. Rys. 9. Miara ważności niezawodności poszczególnych elementów układu S HEV podczas przyspieszania Rys. 10. Miara ważności niezawodności poszczególnych elementów układu (S HEV rekuperacja) 113

8 Rys. 11. Miara ważności niezawodności poszczególnych elementów układu (S HEV ruch ustalony) Dla układu S HEV (rysunek 12) przy t=1500 dni najwyższą miarę ważności istotności statystycznej ma silnik elektryczny, równą 0,72 (widać również dla akumulatorów Li jon spadek niezawodności do poziomu 0,635). Rys. 12. Wrażliwość statystyczna układu S HEV podczas przyspieszania Dla ruchu ustalonego w układzie (rysunek 13) S HEV (t=1500 dni) najwyższą miarę ważności istotności statystycznej mają akumulatory Li jon równą 0,55 ponadto mają najniższą niezawodność równą 0,635 (kolor bliski bieli). 114

9 Rys. 13. Wrażliwość statystyczna układu S HEV podczas ruchu ustalonego Najwyższą miarę ważności istotności statystycznej dla układu (rysunek 13, 14) S HEV (dla t=1500 dni ruch ustalony oraz rekuperacja) mają akumulatory Litowo jonowe równą 0,55 oraz najniższą niezawodność równą 0,635. Rys. 14. Wrażliwość statystyczna układu S HEV podczas rekuperacji 115

10 Tab.1 Średni czas do wystąpienia uszkodzenia oraz funkcja intensywności uszkodzeń Fazy ruchu Układ S HEV Średni czas do wystąpienia uszkodzenia MTTF [dniach] Funkcja intensywności uszkodzeń f ( t) ( t) [ ] R( t) Przyspieszanie ,0006 Ruch ustalony ,0007 Rekuperacja ,0007 Podsumowanie W fazie przyspieszania dla układu S HEV na przebiegu niezawodności parametr kształtu α jest bliski jedności dla elementów elektronicznych (ponieważ większość elementów układu połączonych jest ze sobą szeregowo i są nimi elementy elektroniczne: maszyna elektryczna, akumulator oraz przetwornik napięcia) natomiast 1dla elementów mechanicznych (silnik spalinowy, mechanizm różnicowy). Ponadto dla fazy przyspieszania w układzie S HEV maleje MTTF (Tabela 1), wynosi 1780 dni. Dla ruchu ustalonego układu S HEV na przebiegu niezawodności w funkcji czasu parametr kształtu α jest bliski jedności (wszystkie elementy struktury układu są ze sobą połączone szeregowo). MTTF (Tabela 1), wynosi 1392 dni. Dla rekuperacji energii układu S HEV na przebiegu niezawodności w funkcji czasu parametr kształtu α jest bliski jedności. MTTF (Tabela 1), wynosi 1391 dni. Przebiegi wrażliwości statystycznej (rysunek 12, 13 14) wskazują na elementy, które podczas rozpatrywanej fazy jazdy pojazdu są najbardziej narażone na uszkodzenie. Dodatkowo można z nich wywnioskować na który z elementów układu należy zwrócić uwagę podczas analizy niezawodnościowej. 116

11 References: [1] Szumanowski A.,,Akumulacja energii w pojazdach, wyd. WKŁ, Warszawa, [2] Chmielewski A.,,Analiza sprawności szeregowego i równoległego hybrydowego układu napędowego oraz badanie niezawodnościowe, Warszawa [3] Radkowski S.,,Podstawy bezpiecznej techniki Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa [4] Radkowski S.,,Wibroakustyczna diagnostyka procesów niskoenergetycznych, wyd. ITE, Warszawa Radom [5] Merkisz J.,,Alternatywne napędy pojazdów, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań [6] Sprenger A.,,Sprzęgła, Skrzynki biegów, Wały i Półosie napędowe wyd. WKŁ, Warszawa [7] Informator techniczny Bosch,,Napędy hybrydowe, ogniwa paliwowe i paliwa alternatywne, wyd. WKŁ, Warszawa [8] online.com/web/p/products/ / [9] [10] volt.com/full specifications/ [11] online.com/web/p/products/ / [12] benz.pl [13] sedans/honda insight overview.html [14] [15] [16] Hodkinson R., Fenton J.,,Lightweight Electric/Hybrid Vehicle Design, Elsevier, Oxford [17] Pistoita G.,, Electric and hybrid Vehicles, Elsevier, Oxford UK, [18] Husain I.,, Electric and Hybrid Vehicles design fundamentals, CRC PRESS, Washington [19] Walter A. van Schalkwijk and Scrosati B.,,Advances in Lithium Ion Batteries, Kluwer Academic Publishers, New York [20] Pistoita G., Broussely M.,,Industrial Applications of batteries, Elsevier, Oxford [21] Emandi A., Ehsani M.,,Modern electric, and Fuel Cell Vehicles Fundamentals, Theory and design, CRC PRESS, New York Streszczenie W pracy przedstawiono badania niezawodnościowe szeregowego hybrydowego układu napędowego (S HEV) w prostym cyklu jezdnym. W wyniku symulacji uzyskano przebiegi wrażliwości statystycznej i istotności statystycznej elementów układu S HEV w fazach przyspieszania, ruchu ustalonego oraz rekuperacji. Praca przedstawia podejście do analizy niezawodnościowej układów hybrydowych odniesionej do zadanych przedziałów czasowych. W celu dokładnego określenia niezawodności układu oraz jego średni czas do wystąpienia uszkodzenia należy uwzględnić dane o każdym z elementów układu na podstawie reprezentatywnych danych statystycznych (np:100 sztuk). 117

12 Słowa kluczowe: Szeregowy hybrydowy układ napędowy, badanie niezawodnościowe, cykl prosty. RELIABILITY RESEARCH OF SERIES HYBRID ELECTRIC VEHICLE IN A SIMPLE TEST DRIVE Abstract The paper presents reliability research of Series Hybrid Electric Vehicle (S-HEV) during simple driving cycle. As a result of the research: statistic sensitivity factor and statistic importance factor of the elements of S HEV during acceleration, constant speed and regenerative breaking were obtained. This paper presents an approach to reliability analysis of hybrid systems referenced to the selected intervals. In order to accurately determine the reliability of the system and its MTTF analysis should include data of each of the elements of the system in of adequate statistical amount (eg. examination of 100 units). Keywords: S HEV, reliability research, simple driving cycle 118