ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(99)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(99)/2014 Mirosław Targosz 1, Karol Cichoński 2, Roman Kotysz 3, Marcin Gleń 4, Adam Szymon 5 BADANIA EKSPERYMENTALNE ZUŻYCIA ENERGII LEKKIEGO POJAZDU ELEKTRYCZNEGO 1. Wstęp Obiektem badań był lekki pojazd kołowy o napędzie elektrycznym. Pojazd został zaprojektowany i zbudowany w Instytucie Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej w ramach prac studenckiego koła naukowego Modelowania Konstrukcji Maszyn. Pojazd o nazwie MuSHELLka został stworzony do startów w europejskiej edycji zawodów Shell Eco-marathon. Zawody polegają na przejechaniu trasy ok. 16 km w czasie nie dłuższym niż 39 min. Po wykonanym przejeździe sędziowie dokonują odczytów zużycia energii (zależnie od klasy paliwa płynne, wodór, energia elektryczna) i dokonują obliczeń w celu przedstawienia wyniku w postaci liczby przejechanych kilometrów na jednostkę energii np. km/l lub km/kwh. W określonej klasie wygrywa pojazd, który uzyskał najlepszy rezultat (najoszczędniejszy pojazd). Te prestiżowe zawody odbywają się od wielu lat i przyciągają rzesze studentów, naukowców i pracowników przemysłu pracujących nad ideą poprawy efektywności wykorzystania energii. Rys. 1. Prototypowy pojazd elektryczne i jego wymiary gabarytowe. Na rysunku 1 przedstawiono prototypowy pojazd MuSHELLka podczas zawodów w 2013 roku w Rotterdamie. Pojazd jest konstrukcją samonośną, wykonaną z włókien węglowych oraz aramidowych [3, 7]. W artykule zaprezentowano wyniki badań oporów ruchu przeprowadzone na Torze Jazd Doświadczalnych fabryki Fiat Auto Poland w Tychach. W kolejnych rozdziałach krótko omówiono zależności teoretyczne podczas przeprowadzania próby swobodnego wybiegu. Kolejno opisano stosowany prototypowy układ pomiarowy, opisano miejsce i rodzaj przeprowadzanych prób. Zaprezentowano uzyskane wyniki identyfikacji oporów toczenia z zastosowaniem różnych kompletów ogumienia i konstrukcji układu napędowego. 1 mgr inż. Mirosław Targosz, asystent nauk., Instytut Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej 2 inż. Karol Cichoński, Instytut Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej 3 Roman Kotysz, Instytut Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej 4 inż. Marcin Gleń, Instytut Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej 5 inż. Adam Szymon, Instytut Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej 151

2 2. Podstawy teoretyczne Jedną z eksperymentalnych metod wyznaczenia oporów ruchu pojazdu jest próba swobodnego wybiegu [2]. Próba swobodnego wybiegu polega na rozpędzeniu pojazdu do zadanej prędkości po czym następuje rozłączenie układu napędowego i pojazd toczy się swobodnie dzięki posiadanej energii kinetycznej, aż do momentu całkowitego zatrzymania. Podczas swobodnego wybiegu ruch pojazdu jest ruchem opóźnionym. Równanie ruchu można zapisać w postaci: m(1 +δ)d = F +F + F (1) T W gdzie: d jest opóźnieniem pojazdu, m stanowi masę, δ stanowi współczynnik mas zredukowanych, F T, F W, F P, stanowią odpowiednio siłę oporu toczenia, składową siły ciężkości działającą wzdłuż osi pojazdu podczas pokonywania wzniesień, kolejna siła to opór powietrza. Uzupełniając równanie (1) można je zapisać w postaci: P mgc d = rr γac + mgsin + 2 m( 1+δ) x v 2 (2) gdzie: c rr - współczynnikiem oporu toczenia, A - powierzchnia czołowa, c x - współczynnik oporu powietrza, γ - gęstość powietrza, v prędkość pojazdu. Opory pojazdu można podzielić na składowe zależne i niezależne od prędkości v [2]. 2 d = C0 +C1v+C2v (3) crr + sinα C0 = g (4) 1+δ C 1 = 0 (5) γacx 1 C2 = (6) 2 m( 1+δ) Poczyniono założenie, że opory ruchu nie zależą liniowo od prędkości pojazdu. W przeciwnym przypadku składową C 1 można również zidentyfikować. W próbie swobodnego wybiegu koniczne jest rejestrowanie prędkości chwilowej pojazdu. W przypadku badań pojazdów samochodowych korzysta się z tzw. piątego koła czyli dodatkowej aparatury pomiarowej podłączonej okresowo na czas trwania badania do pojazdu. W szacunkowych badaniach można też zaniechać pomiaru prędkości rejestrując jedynie czas i drogę swobodnego wybiegu. W przypadku lekkich pojazdów składowe oporów powietrza również w zakresie niskich prędkości odgrywają kluczową rolę dlatego istotne jest rejestrowanie prędkości pojazdu i dokładne wyznaczenie współczynników równania 3. Zamontowana dodatkowa aparatura pomiarowa może 152

3 zaburzać przepływ powietrza, co może mieć wpływa na otrzymane wyniki pomiarów. Ze względu na dokładność pomiarów korzystne jest aby pojazd miał możliwość rejestrowania prędkości chwilowej mierzonej bezpośrednio na kołach. Dzięki doświadczalnej identyfikacji współczynników C 0 i C 2 stosując metody aproksymacji przebiegu funkcji d(v) możliwe jest wyznaczenie m.in. współczynnika oporu toczenia oraz współczynnika oporu powietrza. Dzięki takim danym możliwy jest optymalny dobór typu ogumienia, oraz np. odpowiedniego ciśnienia pracy, celem minimalizacji oporów ruchu i zmniejszenia zużycia energii. Stosując metodę swobodnego wybiegu należy zdawać sobie sprawę z zakłóceń w postaci oddziaływania wiatru oraz siły powstającej z nierówności profilu drogi. Zakłócenia wiatru można próbować minimalizować poprzez dokonanie próby pomiarowej w trakcie bezwietrznej pogody. Natomiast wyeliminowanie wpływy pochyłości drogi może być utrudnione, dlatego do identyfikacji parametrów równania można posłużyć się metodą identyfikacji z wykorzystaniem modelu symulacyjnego. Schemat takiego postępowania zilustrowano na rysunku 2. Rys. 2. Schemat identyfikacji oporów z wykorzystaniem modelu W metodzie minimalizuje się błąd pomiędzy wynikami pomiaru a estymatorem danej zmiennej otrzymanej w wyniku symulacji numerycznej. Algorytm optymalizacyjny zmienia parametry modelu celem dokładnego dopasowania się do danych rzeczywistych. W modelu symulacyjnym droga i jej pochyłość mogą być odpowiednio zamodelowane i tym samym możliwe jest odzwierciedlenie wpływu składowej siły ciężkości zależnej od chwilowego pochylenia drogi na prędkość chwilową pojazdu [4]. 3. Układ pomiarowy W badaniach eksperymentalnych wykorzystano prototypowy układ pomiarowy którego schemat przedstawiono na rysunku

4 Rys. 3. Schemat toru pomiarowego Układ pomiarowy składał się z dwóch 8-bitowych mikrokontrolerów połączonych magistralą RS-232. Zadaniem mikrokontrolera ATMega328 jest mierzenie parametrów układu zasilania takich jak prąd pobierany przez silnik, oraz napięcie na baterii. Prąd mierzony był czujnikiem hallotronowym ACS756 charakteryzującym się maksymalnym błędem pomiarowym poniżej 1%. Napięcie na baterii mierzone było z wykorzystaniem rezystorowego dzielnika napięcia. Sygnały zarówno z czujnika prądu jak i dzielnika napięcia rejestrowane były przez 10 bitowy przetwornik analogowo cyfrowy wbudowany w mikrokontroler. Zarejestrowane dane wysyłano z częstotliwością 5Hz do układu ATMega2560 gdzie po odebraniu były zapisywane przez układ magazynowania danych. Parametry ruchu pojazdu liczone były na podstawie sygnałów z enkodera inkrementalnego dającego 16 przerwań na jeden obrót koła. Układ ATMega2560 obsługiwał również układ wizualizacji danych i interfejs kierowcy, dzięki czemu kierowca może być na bieżąco informowany o najistotniejszych danych. 4. Badania eksperymentalne Badania eksperymentalne zużycia energii przeprowadzono na torze jazd doświadczalnych Fabryki Fiat Auto Poland w Tychach. Rys. 4. Zdjęcie satelitarne (Google) Toru Jazd Doświadczalnych fabryki Fiat Auto Poland w Tychach 154

5 Na torze przeprowadzono próby swobodnego wybiegu oraz próby przejazdu po specjalnie wyznaczonych pętlach. Na rysunku 4 przedstawiono zdjęcie satelitarne toru z zaznaczonymi dwiema pętlami. Badano rzeczywiste zużycie energii prototypowego pojazdu dla różnych strategii sterowania ustalanych doświadczalnie. Badanie służyło również do identyfikacji modelu symulacyjnego i opracowywanych za jego pomocą optymalnych strategii ruchu [4,5]. Modele tras przejazdu były wcześniej zidentyfikowane na podstawie pomiarów geodezyjnych wykonywanych z zastosowaniem technologii GPS. Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono profil wysokościowy obu tras wykonanych w środowisku AutoCad Civil. Rys. 5. Profil wysokościowy trasy nr 1 Rys. 6. Profil wysokościowy trasy nr 2 W tabeli 1 przedstawiono rzeczywiste zużycie energii jednostki napędowej uśrednione na podstawie wykonanych 4 prób pomiarowych. Tabela 1. Rzeczywiste zużycie energii dla tras 1 i 2 Długość okrążenia [m] Długość trasy [m] Maksymalny czas jazdy [s] Zużycie energii [km/kwh] Tychy Tychy Próbę swobodnego wybiegu przeprowadzono na najdłuższej prostej toru w Tychach. Prosta ta posiada nową nawierzchnię i opory toczenia są znacznie mniejsze niż opory występujące na pętlach pomiarowych, których nawierzchnia jest w gorszym stanie technicznym. W trakcie próby swobodnego wybiegu badano kilka rodzajów opon, których parametry przedstawiono w tabeli 2. Poza zastosowaniem różnego rodzaju ogumienia sprawdzano dwa możliwe do zastosowane układy napędowe. Układ napędowy UN 1 oparty o silnik PM BLDC firmy Dunkermotoren model BG 75x50 [9]. Nominalny moment napędowy silnika wynosi ok. 1 Nm, Prędkość nominalna ok 3500 obr/min. Moment obrotowy z silnika przenoszony jest na koło napędowe za pomocą układu przeniesienia napędu UPN opartego o 155

6 przekładnie cięgnową z paskiem zębatym. Koła przekładni liczyły odpowiednio 24 i 200 zębów. Układ napędowy oparty o silnik MagicPie 3 wbudowany w piastę koła napędowego firmy GoldenMotor [9]. Moment nominalny wynosi ok 10 Nm przy nominalnych obrotach 350 obr/min. Tabela 2. Rodzaje opon badane w próbie swobodnego wybiegu Oznaczen ie opony O 1 O 2 O 3 Nazwa opony Michelin Shell Eco-marathon Continental Sport Contact Schwalbe Ultermo Oznaczen ie Kształt przekroju Rodzaj bieżnika Ciśnienie pracy 45/75/R1 Prostokąt slick max. 500 [kpa] 6 ny Okrągły slick 600 [kpa] Okrągły slick [kpa] W skład UN 1 zalicza się jeszcze sprzęgło jednokierunkowe (rowerowe) którego praca pozwala na rozłączenie kola napędowego od układu napędowego w sytuacji kiedy silnik nie pracuje. Brak konieczności wirowania części UN zmniejsza opory ruchu. Zastosowanie układu UN 2 wiąże się z większymi oporami podczas jazdy z wyłączonym napędem. Badania sprawności układów napędowych mających wpływ na całkowite zużycie energii realizowano na specjalnie skonstruowanych stanowiskach pomiarowych, szczegóły tych badań można znaleźć w [1, 5]. Na rysunku 7 przedstawiono wykres prędkości zarejestrowanej podczas próby swobodnego wybiegu dla dwóch możliwych do zastosowanie układów napędowych (UN 1real, UN 2real ), dodatkowo na wykresie znajdują się wyniki prędkości pojazdu otrzymane na podstawie symulacji komputerowej (UN 1sim, UN 2sim ). Rys. 7. Prędkość pojazdu w trakcie próby swobodnego wybiegu 156

7 Ze względu na większe opory układu ruchu z zastosowaniem układu napędowego UN 2 badania mające na celu zbadanie wpływu zastosowanych opon rejestrowano z wykorzystanie tylko układu UN 1. W tabeli 3 zaprezentowano wyniki identyfikacji współczynnika oporu toczenia z zastosowaniem różnego rodzaju ogumienia. Tabela 3. Wartości współczynnika oporu toczenia badanych opon Oznaczenie opony Zidentyfikowany współczynnik oporu toczenia c rr O O O Podsumowanie W artykule zaprezentowano wyniki identyfikacji oporów ruchu lekkiego pojazdu elektrycznego MuSHELLka biorącego udział w europejskiej edycji zawodów Shell Eco-marathon. Na torze jazd doświadczalnych badano wpływ możliwych do zastosowania opon i dwóch różnych konstrukcji układu napędowego. Ze względu na to że obiektem badań jest pojazd startujący w zawodach gdzie celem jest minimalizacja zużycia energii układ napędowy jest cyklicznie włączany i wyłączany dlatego niezbędne aby w trakcie swobodnego wybiegu układ napędowy był rozprzęgnięty z kołem napędowym. Konstrukcji koła z wbudowanym silnikiem pomimo swoich zalet związanych z mało skomplikowaną budową i brakiem strat w układzie przeniesienia napędu nie jest korzystna do zastosowania. Na rynku dostępnych jest stosunkowo niewiele opon mogących mieć zastosowanie w prototypowym pojeździe, porównano opony specjalnie produkowane dla uczestników zawodów Shell Eco-marathon z dostępnymi na rynku modelami. W ramach prób na torze dokonano pomiarów zużycia energii podczas przejazdów na dwóch trasach. Do pomiarów zużycia energii stosowano prototypowy układ pomiarowy. Na wyznaczonych trasach pojazd osiągał znacznie gorsze wyniki niż podczas jazd konkursowych w ramach zawodów Shell Eco-marathon, związane jest to między innymi ze znacznie gorszym stanem nawierzchni na torze oraz z nie stosowaniem optymalnej strategii ruchu. Literatura: [1] Cichoński K. Jezierska-Krupa K., Gleń M., Skarka W.: Badania porównawcze układów napędowych wysokosprawnego pojazdu elektrycznego. XLI Ogólnopolskie Sympozjum DIAGNOSTYKA MASZYN Poświęcone Pamięci Prof. dr. hab. inż. Zbigniewa Engela, Wisła r. [2] Preda I., Covaciu D. i Ciolan G. : Coast down test - theoretical and experimental approach. 11th International Congress of Automotive and Transport Engineering, Automotive and Future Technologies [3] Sternal K., Cholewa A., Skarka W. and Targosz M.: Electric vehicle for the students' Shell Eco-marathon competition. Design of the car and telemetry system., Communications in Computer and Information Science, Telematic in the Transport Environmnt, Vol. 329 p , 2012, Berlin, Springer. [4] Targosz M., Skarka W., Przystalka P. Simulation and Optimization Methodology of Prototype Electric Vehicle, Proceedings of the 13th International Design 157

8 Conference DESIGN 2014 ed: Marjanović D., Štorga M., Pavković N., Bojčetić N. Dubrovnik Croatia 2014 pp [5] Targosz M.: Test bench for efficiency evaluation of belt and chain transmission, Proceedings of XII International Technical System Degradation Conference, Liptovsky Mikulas, Slovakia, , PNTTE, 2013, pp [6] Targosz M., Szumowski M., Skarka W. and Przystałka, P. :Velocity Planning of an Electric Vehicle Using an Evolutionary Algorithm, Activities of Transport Telematics, 13th International Conference on Transport Systems Telematics, TST 2013, Katowice-Ustroń, Poland, October 23 26, 2013, Communications in Computer and Information Science, Jerzy Mikulski (ed.), Springer Berlin Heidelberg, 2013, pp [7] Smart Power Project Website [8] [9] Golden Motor Magic Pie 3 Datasheet Streszczenie W artykule zaprezentowano badania doświadczalne lekkiego pojazdu elektrycznego MuSHELLka skonstruowanego przez zespół SmartPower z Wydziału Mechanicznego Technologicznego Politechniki Śląskiej. Badanie przeprowadzono na Torze Jazd Doświadczalnych fabryki Fiat Auto Poland w Tychach. Przeprowadzono próby swobodnego wybiegu z wykorzystaniem różnego rodzaju ogumienia. Badano dwa możliwe do zastosowania elektryczne układy napędowe - silnik PM BLDC wraz z przekładnią z paskiem zębatym oraz silnik PM BLDC o bezpośrednim przełożeniu zamontowany w piaście koła napędowego. Dane pomiarowe były rejestrowane poprzez mikroprocesorowy układ pomiarowy i zapisywane na karcie SD. Próby terenowe były wykonywane również w celach treningowych kierowców prototypowego pojazdu i umiejętności realizowania strategii przejazdu. Badania doświadczalne posłużą do identyfikacji modelu matematycznego pojazdu oraz do weryfikacji założeń projektowych i wyboru optymalnych rozwiązań w zakresie stosowanych opon i wyboru układu napędowego. Słowa kluczowe: zużycie energii, pojazdy elektryczne, opory ruchu AN EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE ENERGY CONSUMPTION FOR LIGHTWEIGHT ELECTRIC VEHICLE Abstract The article presents an experimental investigation of the energy consumption for lightweight electric vehicle MuSHELLka. The vehicle was built by SmartPower team from the Faculty of Mechanical Engineering, Silesian University of Technology. The tests were carried out on the experimental rides track of the Fiat Auto Poland factory, located in Tychy. Tests were conducted with using different types the of tires, and two possible to apply drive systems - a PM BLDC motor with toothed belt transmission, and motor with direct ratio mounted 158

9 in the wheel hub. The measurement data were acquired by a microprocessor-based measuring system, and saved on the SD card. Experimental studies will be used to identify the mathematical model of the vehicle and to verify the project assumptions and the choice of optimal solutions of tires and the drive units. Keywords: energy consumption, electric vehicles, EV, motion resistance 159