SYMULACYJNE BADANIA HYBRYDOWEGO NAPĘDU ELEKTRYCZNO-HYDROSTATYCZNEGO

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 2016 nr 58 ISSN X SYMULACYJNE BADANIA HYBRYDOWEGO NAPĘDU ELEKTRYCZNO-HYDROSTATYCZNEGO Wiesław Grzesikiewicz 1a, Lech Knap 1b, Michał Makowski 1c, Janusz Pokorski 1d 1 Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska a wgr@simr.pw.edu.pl, b l.knap@simr.pw.edu.pl, c m.makowski@simr.pw.edu.pl, d Janusz.Pokorski@simr.pw.edu.pl Streszczenie W referacie rozpatrywany jest elektryczno-hydrostatyczny napęd hybrydowy samochodu dostawczego przeznaczonego do ruchu w mieście. Przedstawiono matematyczny model tego napędu w postaci zadania dynamiki i regulacji pojazdu poruszającego się z zadaną zmienną prędkością. Na tej podstawie opracowano program obliczeń komputerowych służących do symulacji procesów przetwarzania energii w elektryczno-hydrostatycznym napędzie pojazdu. W rozważanym napędzie hybrydowym napęd elektryczny jest cyklicznie wspomagany napędem hydrostatycznym podczas przyspieszania lub odzyskowego hamowania pojazdu. Celem badań symulacyjnych było ukazanie możliwości zmniejszenia energochłonności napędu elektrycznego dzięki takiemu wspomaganiu. Prezentowane w artykule wyniki badań pokazują, że nastąpiło istotne odciążenie napędu elektrycznego. Słowa kluczowe: symulacje numeryczne, napęd hybrydowy, napęd hydrostatyczny, napęd elektryczny, energochłonność napędu, hamowanie odzyskowe, pojazd, cykl miejski NUMERICAL INVESTIGATION OF AN ELECTRO- HYDROSTATIC DRIVE Summary In the paper, we describe a study of an electro-hydrostatic hybrid drive of a utility van intended for city traffic. In this hybrid drive, the electric drive is periodically accompanied by hydrostatic drive, especially during acceleration and regenerative braking of the vehicle. We present a mathematical model of the hybrid drive as a set of dynamics and regulation equations of the van traveling at a given speed. On this basis, we construct a computer program which we use to simulate the processes of energy conversion in electro-hydrostatic hybrid drive. The main goal of the numerical simulation is to assess the possibility of reducing energy intensity of the electric drive through such a support of the hydrostatic drive. Our results indicate that it is possible to significantly increase the efficiency of energy conversion in the electric drive by support of the hydrostatic drive. Keywords: numerical simulations, hybrid drive, electric drive, hydrostatic drive, energy consumption, energy efficiency, regenerative breaking, city traffic 1. WSTĘP Obiektem badań jest hybrydowy napęd elektrycznohydrostatyczny przeznaczony dla pojazdów lub maszyn roboczych, których obciążenie zmienia się cyklicznie. W niniejszym artykule rozpatruje się samochód dostawczy przeznaczony do ruchu w mieście. Samochody elektryczne, mimo swoich zalet ekologicznych, ujawniających się przede wszystkim na terenach zurbanizowanych, budzą wątpliwości co do efektywności skumulowanego procesu przetwarzania energii [7] i [14] obejmującego: przetwarzanie energii w elektrowniach, a 37

2 SYMULACYJNE BADANIA HYBRYDOWEGO NAPĘDU( ) także w trakcie jej przesyłania, procesy związane z ładowanie i rozładowaniem akumulatora trakcyjnego oraz przeniesieniem napędu od silnika do kół pojazdu [9] i [13]. Efektywność trzech ostatnich procesów przetwa- z użytkowa- rzania energii jest związana bezpośrednio niem pojazdu i wpływa na jego energochłonność. Z tego powodu dla użytkownika ma znaczenie ekonomiczne. Problematyka artykułu dotyczy poprawy efektywności przetwarzania energii w rozważanym samochodzie, dzięki zastosowaniu napędu elektrycznego ze wspomagaenergii hamowa- niem hydrostatycznym oraz odzyskiem nia. W artykule jest przedstawiony matematyczny opis procesów przetwarzania energii w napędzie elektrycznym i hydrostatycznym oraz opis modelu układu regulacji napędu pojazdu poruszającego się z zadaną prędkością. Do wyznaczenia rozwiązania tego zadania opracowano program obliczeń komputerowych służący do symulacyj- w rozpatry- nych badań procesów przetwarzania energii wanym układzie napędowym. 2. MATEMATYCZNY OPIS NAPĘDU HYBRYDOWEGO Matematyczny opis napędu hybrydowego utworzono w rezultacie z połączenia opisów procesów przetwarzania energii w napędzie elektrycznym i hydrostatycznym, przedstawionych w pracach [3] i [4]. Schemat rozpatryna rys. wanego napędu hybrydowego pokazano 1. Układ sterowania ruchem pojazdu Układ regulacji prędkości pojazdu Rys. 1. Schemat napędu hybrydowegoo elektryczno- napędowy, 2 - hydro- hydrostatycznego: 1 - elektryczny układ statyczny układ napędowy, 3 - układ regulacji, 4 - mechanizm przeniesienia napędu, 5 pojazd Zestaw równań opisujących przetwarzanie energii w tym układzie ma postać:! ", 1,$1@,? A,?'HI $% # &' & $() * + &,, -. ()% ' + ', + & * +,' *' &, * 0,1@ /012$ / (9 4 * > * $9 > ), : ;<= : ;<= * 9 *, > * ()' &, > ( & ) B G C DEF GC C, pompo-silnika od strony akumulatora, prędkość kątowa wału pompo-silnika, sygnał z układu regulacji, sterujący wydajnością pomposilnika. Pozostałe oznaczenia we wzorach (1) dotyczą parametrów napędu hydrostatycznego i oznaczają: masa gazu zawarte- Układ napędowy p 1, p 2 p,v c (1) (2) (3) α H + - PID Człon obliczeniowy + - PI α H Rys. 2. Struktura proponowanego układu regulacji prędkości pojazdu z napędem hybrydowym Zestaw równań (1) opisuje procesy termodynamiczne powstające w pęcherzu gazowym, a występujące tu zmienne oznaczają: objętość właściwa gazu,? entropia właściwa gazu, ciśnienie gazu w pęcherzu, temperatura gazu, ciśnienie oleju na końcówce 38

3 WIESŁAW GRZESIKIEWICZ, LECH KNAP, MICHAŁ MAKOWSKI, JANUSZ POKORSKI go w pęcherzu, stała charakteryzująca wydajność pompo-silnika, O stała charakteryzująca proces wymiany ciepła między gazem i otoczeniem, PQ5 temperatura otoczenia, Δ stała charakteryzująca opory przepływu oleju między akumulatorem i pompo-silnikiem, ( S ciepło właściwe gazu, T wykładnik adiabaty. We wzorach (2) znajduje się opis przetwarzania energii w elektrycznym układzie napędowym z silnikiem prądu stałego zasilanego z akumulatora. We wzorach (2) znajdują się zmienne z następującymi oznaczeniami: ' prąd płynący przez akumulator, ' & prąd płynący przez silnik, ładunek elektryczny zgromadzony w akumulatorze, + napięcie na zaciskach akumulatora, U & napięcie na zaciskach silnika, * prędkość kątowa wału silnika, * sygnał z układu regulacji sterujący przekształtnikiem napięcia. Parametry tego modelu są oznaczone następująco: indukcyjność uzwojenia silnika, % rezystancja własna akumulatora, % & rezystancja własna silnika, (Φ stała charakteryzująca strumień magnetyczny wzbudzenia silnika,, -. funkcja opisująca siłę elektromotoryczną akumulatora w zależności od ilości zgromadzonego ładunku. Zestaw równań (3) opisuje ruch pojazdu, czyli jego prędkość / 012. Parametry charakteryzujące pojazd są następujące: masa pojazdu, W promień koła, 9 * przełożenie przekładni dla silnika elektrycznego, 9 przełożenie przekładni dla pompo-silnika, funkcja opisująca opór ruchu pojazdu w zależności od jego prędkości, a także opory ruchu pompo-silnika zredukowane na koła pojazdu, P ciśnienie w niskociśnieniowym zbiorniku oleju. Rozwiązanie przedstawionego powyżej zadania dynamiki pojazdu z napędem hybrydowym opisują przebiegi w czasie wymienionych powyżej zmiennych. Postać tego rozwiązania zależy od warunków początkowych oraz od przebiegu sygnałów sterujących, * występujących wśród równań (1) oraz (2). Przebiegi tych sygnałów są wyznaczane w układzie regulacji, którego model jest rozpatrywany poniżej. 3. MODEL UKŁADU REGULACJI W układzie regulacji są wyznaczane sygnały sterujące pomposilnikiem oraz przekształtnikiem napięcia. W rezultacie tego wydatek pomposilnika wynosi a napięcie na zaciskach silnika elektrycznego *+. Wartości sygnałów, * są wyznaczane tak, aby funkcja / 012 będąca rozwiązaniem zadania dynamiki, spełniała warunek: C X Y/ 012 / P JZK[ & _ \Z ^, Z `0,a K` J4K gdzie: / P funkcja opisująca przebieg zadanej prędkości, ^ stała dodatnia określająca dopuszczalne odchylenie rozwiązania / 012 od zadanej prędkości / P, a czas symulacji. Ponieważ wartości niektórych zmiennych zadania dynamiki są ograniczone, to w układzie regulacji sygnały, * są wyznaczane tak, aby wartość wspomnianych zmiennych były dopuszczalne. Z tego powodu może powstać sytuacja, w której układ napędowy nie zdoła zrealizować w pewnych chwilach ruchu z zadaną prędkością. Efektywność przetwarzania energii w hybrydowym układzie napędowym zależy od udziału poszczególnych napędów w realizacji siły napędzającej lub hamującej pojazd. W rozpatrywanym modelu napędu przyjęto, że udział ten jest określony sygnałem c 0,1@, za pomocą, którego wyznacza się sygnały c =c, c * =J1 ck określające udziały napędu hydrostatycznego (c ) i elektrycznego (c * ). Badania związane z przetwarzaniem energii niezależnie w napędzie elektrycznym i hydrostatycznym były prezentowane w pracach [2], [4] i [12], Na rys. 2 pokazano schemat układu regulacji prędkości. Zasadniczym elementem tego układu jest regulator prędkości PID, który na wejściu otrzymuje sygnał uchybu prędkości S =/ P / 012 i generuje sygnał wyjściowy określający wypadkowy moment napędowy > d. W członie obliczeniowym na podstawie tego sygnału oraz sygnałów określających stan układu napędowego (por. rys. 2) są wyznaczane dwa sygnały: e sygnał sterujący pomposilnikiem oraz ' P zadana wartość natężenia prądu płynącego przez silnik. Następnie sygnał ' P jest porównywany z sygnałem ' & określającym natężenie prądu płynące przez silnik. Wynikający stąd uchyb jest sygnałem wejściowym do regulatora PI, a na jego wyjściu i po skorygowaniu wartości do przedziału [0,1] powstaje sygnał e *. Uzyskane tak sygnały e, e * dopływają do członów wykonawczych: fg w pompo silniku i fg * w przekształtniku napięcia. Człony wykonawcze zamodelowano w postaci elementów inercyjnych pierwszego rzędu. 39

4 SYMULACYJNE BADANIA HYBRYDOWEGO NAPĘDU( ( ) Rys. 3. Wykres prędkości zadanej V_z 4. OPIS SYMULACJI Przedstawiamy przyjęte wartości parametrów modelu pojazdu z napędem hybrydowym, którego matematyczny opis przedstawiono w punkcie 1. Rozpatrywano samochód dostawczy o masie własnej =1900 kg i ładunku o masie Δ=500 kg. Przyjęto następujące parametry pojazdu: promień koła W=0,32 m, przełożenie przekładni łączącej koła z wałami silniwzorem ków 9 =9 * =8, opór ruchu opisano = 0,013H. Funkcja, -. opisująca siłę elektromoto tora ma postać, -. JK=, $ oryczną akumulaeśli, =260 V, k f je f = 104 kf, a opór wewnętrzny akumulatora wynosi W =0,1 Ω. Przyjęto, że w stanie pełnego naładowania ładunek elektryczny wynosi =114 Ah, a energia w pełni naładowanego akumulatora jest równa 30 kwh. Wartości parametrów silnika są następujące =0,76 mh, % & =0,04 Ω, ()=0,5 Nm/A, n opq =550 A. Przyjęte wartości zostały dobrane na podstawie wstępprzedstawionej w pracy [1]. Napęd hydrostatyczny charakteryzują następujące wartości parametrów: w pęcherzu akumulatora hydro- nej analizy pneumatycznego znajduje się azot, którego masa w stanie początkowym =300 bar, / =14 dm t, =293,15 K,? =0 J/kgK wynosi =4,827 kg. Poza tym przyjęto, że stała czasowa określająca proces wymiany ciepła jest równa O =200 s, a temperatura otoczenia PQ5 = =293,15 K. Układ hydrostatyczny jest zasilany dwoma opisanymi wyżej akumulatorami hydropneumatycznymi. Wartości parametrów modelu pomposilnika oraz instalacji hydraulicznej wynoszą: =0,036 dm 3 /obr, Δ =2 bary, & =2 bary. Parametry akumulatora zostały dobrane na podstawie badań eksperymentalnych ych przedstawionych w pracach [8] i [10]. Rys. 4. Porównanie prędkości pojazdu (linia ciągła) z wykresem zadanej prędkości (linia przerywana) Rys. 5. Ciśnienie gazu w akumulatorze hydropneumatycznym 40

5 WIESŁAW GRZESIKIEWICZ, LECH KNAP, MICHAŁ MAKOWSKI, JANUSZ POKORSKI Nastawy regulatora prędkości PID określają współczyns, a dla regulato- niki u 0 =40,! =4 10 w s, =0,125 ra prądu PI nastawy wynoszą u 0 = 2,5 10 Gt,! = 0,25 s. Metoda doboru parametrów regulatora PID i PI została przedstawiona w pracach [6] i [11]. Rozpatrywane symulacje dotyczyły przejazdu na trasie o długości 2860 m trwającego 390 s z zadaną prędkością / P, której przebieg ilustruje wykres zamieszczony na rys. 3. Średnia prędkość tego przejazdu wynosi 26,3 km/h. Jak już wspomniano, ważną rolę w sterowaniu hybrydo- c, określający wego układu napędowego odgrywa sygnał udział poszczególnych napędów w realizacji momentu napędzającego lub hamującego pojazd. Na podstawie wstępnych badań symulacyjnych przyjęto: c=0,7 gdy pojazd jest napędzany, c=0,9 gdy pojazd jest hamoze stałą prędko- wany, c=0,3 gdy pojazd porusza się ścią. Wymienione wartości są korygowane wtedy, gdy obciążenie napędu hydrostatycznego osiągnie graniczną wartość. Oprócz modelu pojazdu z napędem hybrydowym rozpatrywano model pojazdu elektrycznego. Przyjęto, że oba pojazdy miały takie same elektryczne układy napędowe, a masa pojazdu elektrycznego była mniejsza o 100 kg. Uzyskane wyniki symulacji analizowano w aspekcie wpływu wspomagania hydrostatycznegoo na efektywność przetwarzania energii, a jako wskaźnik tej efektywności przyjęto ilość energii, która została pobrana z akumula- tora elektrycznego do chwili zakończeniaa przejazdu. Rys. 6. Przebieg sygnałów sterujących Rys. 7. Przebieg sygnałów sterujących h * 5. WYNIKI SYMULACJI Poniżej przedstawiono wybrane wyniki symulacji ruchu pojazdu z napędem hybrydowy, ilustrujące rozwiązanie zadania dynamiki i sterowania. Na rys. 4 zamieszczono zestawienie wykresu prędkości pojazdu / 012 wyznaczonej w zadaniu, z wykresem prędkości zadanej / P. Z porównania tych wykresów wnioskuje się, że program jazdy został zrealizowany właściwie. Zmiany ciśnienia w pęcherzu gazowym ilustruje rys. 5. Na rysunkach 6 i 7 zamieszczono wykresy sygnałów sterujących, *. Wykres (rys. 8) ilustruje przebieg natężenia prądu w silniku elektrycznym, przy czym wartości dodatnie dotyczą napędzania a ujemne hamowania odzyskowego. Widoczne na wykresie gwałtowne przyrosty wartości prądu powstają w chwilach, w których =1, co oznacza, że pomposilnik pracuje z graniczną wydajnością i wobec tego następuje dociążenie napędu elektrycznego. Na rys. 9 zestawiono wykresy natężenia prądu silnika dla pojazdu z napędem hybrydowym i elektrycznym. Z porównania tych wykresów wynika, że w napędzie hybrydowym wartości natężenia prądu są istotnie mniejnatężenia prądu wynoszą sze, a skuteczne wartości n =64 A dla napędu hybrydowego i n * =184 A dla elektrycznego. Na podstawie wyników obliczeń ustalono wykresy ilustrujące pobieranie energii z akumulatora elektrycznego podczas przejazdu. Zestawienie tych wykresów dla obu napędów zamieszczono na rys. 10, gdzie również zamieszczono wykres pobierania energii z akumulatora hydropneumatycznego. Rys.8. Przebieg natężenia prądu silnika elektrycznego i2 w napędzie hybrydowym 41

6 SYMULACYJNE BADANIA HYBRYDOWEGO NAPĘDU( ( ) Rys. 9. Porównanie przebiegu natężenia a prądu silnika elektrycznego w napędzie hybrydowym (kolor czarny) z natężeniem prądu w napędzie elektrycznym (kolor czerwony) Rys. 10. Energia pobierana z akumulatorów; napęd elektryczny (czerwony), napęd hybrydowy: akumulator elektryczny (czarny) i akumulator hydropneumatyczny (niebieski) Z analizy porównawczej tych wykresów wynika, że: ilość energii pobieranej z akumulatora elektrycznego jest mniejsza w pojeździe hybrydowym. Po przeje- hybrydowym chaniu rozważanej trasy w napędzie pobór energii wyniósł 1105 kj, a w napędzie elek- z akumula- trycznym 1597 kj, średnia całkowa mocy pobierania energii tora elektrycznego w napędzie hybrydowym wynio- 4,31 kw, sła 2,68 kw, a w napędzie elektrycznym pobór energii za akumulatora hydropneumatycznego ma przebieg oscylacyjny o niewielkiej amplitudzie około 110 kj. Przedstawiona powyżej analiza wynikóww obliczeń ukazuprocesu przetwa- je możliwość zwiększenia efektywności rzania energii elektrycznej dzięki zastosowaniu wspomadotyczy napędu gania hydrostatycznego. Wniosek ten elektrycznego z cyklicznym obciążeniem. 6. WNIOSKI Uzyskane wyniki symulacyjnych badań potwierdziły tezę o możliwości zwiększenia efektywności procesu przetwa- pojazdu miej- rzania energii w elektrycznym napędzie skiego, za pomocą wspomagania napędem hybrydowym. Wspomaganie to sprowadza się do pobierania energii z akumulatora hydropneumatycznego podczas przyspie- szania pojazdu oraz zwracania energii w trakcie hamowania odzyskowego. Przedstawiony tu model matematyczny napędu hybryże uwzględnia podstawowe zjawiska dowego, mimo związane z procesem przetwarzania energii, nie obejmuje niektórych aspektów tego procesu, na przykład energoelektronicznych właściwości przekształtnika napięcia albo przecieków w instalacji hydraulicznej. Z tych powodów celowe jest doskonalenie opracowanych modeli napędu hybrydowego, a także wykonanie badań symulacyjnych w szerszym zakresie, aby ukazać możliwość zwiększenia efektywności przetwarzania energii podczas zróżnicowanych warunków użytkowania pojazdu. Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/01/B/ST8/06822 PBS3/A9/0/2015. oraz z projektu 42

7 WIESŁAW GRZESIKIEWICZ, LECH KNAP, MICHAŁ MAKOWSKI, JANUSZ POKORSKI Literatura 1. Grzesikiewicz W.: Matematyczne modelowanie elektrycznego silnika PMSM. W: Polioptymalizacja i komputerowe wspomaganie projektowania. T. XI. Koszalin: Wyd. Uczel. Pol. Koszal., 2013, s Grzesikiewicz W., Knap L., Makowski M.: Symulacyjne badania napędu hydrostatycznego. Technika Transpor- akumulatorowego. tu Szynowego 2012, nr 9, s Grzesikiewicz W., Knap L., Makowski M.: Studium energetyczne hydrostatycznego napędu Technika Transportu Szynowego 2012, t. 9, s Grzesikiewicz W., Knap L., Makowski M.: Matematyczny opis napędu pojazdu elektrycznego. W: Polioptymalizacja i komputerowe wspomaganie projektowania. Koszalin: Wyd. Uczel. Pol. Koszal., Monografia nr 278, s Grzesikiewicz W., Knap L., Makowski M., Pokorski J.: Symulacyjne badania ruchu pojazdu z napędem hydro- napędu statycznym. Logistyka 2014, nr 4, s Grzesikiewicz W., Knap L., Makowski M., Pokorski J.: Dobór regulatora PID do hydrostatycznego pojazdu. Logistyka 2015, nr 3, s Hu H., Smaling R., Baseley S.J., Advanced hybrid: powertrains for commercial vehicles. SAE International, Portland Knap L., Makowski M., Grzesikiewicz W.: Badania doświadczalne właściwości akumulatora hydropneumatycz- nego. Logistyka 2014, nr 3, s Krasucki J., Rostkowski A.: Projektowanie hybrydowych elektrohydraulicznych układów napędowych na przy- napędu elektro- kładzie maszyn roboczych z osprzętem dźwignicowym. Radom: WNITE-PIB, Makowski M., Knap L., Grzesikiewicz W.: Eksperymentalne badania elementów hydrostatycznego akumulator hydropneumatyczny. ZN Instytutu Pojazdów Pol. Warsz., 2014, vol. 99, nr 3, s Makowski M., Grzesikiewicz W., Knap L., Pokorski J.: Analiza doboru układu regulacji do elektrycznego napędu pojazdu. Technika Transportu Szynowego 2015, vol.12, s Makowski M., Grzesikiewicz W., Knap L., Pokorski J.: Badania numeryczne elektrycznego układu napędowego pojazdu. Technika Transportu Szynowego 2015, vol. 12, s Pawelski Z.: Napęd hybrydowy dla autobusu miejskiego. Warszawa: WKŁ, Szczepański C.: Motoryzacja na przełomie epok. Warszawa: PWN, Ten artykuł dostępny jest na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska. Pewne prawa zastrzeżone na rzecz autorów. Treść licencji jest dostępna na stronie /pl/ 43