KONCEPCJA MODELOWANIA ELEKTRYCZNEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO ZASTOSOWANEGO W POJEŹDZIE HYBRYDOWYM FIAT PANDA 4X4

Transkrypt

1 aszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N /07 (4) 55 Anzej Lechowicz, Anzej Augustynowicz Politechnika Oolska, Oole KONEPJA ODELOWANIA ELEKTRYZNEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO ZASTOSOWANEGO W POJEŹDZIE HYBRYDOWY FIAT PANDA 4X4 ONEPT OF ODELING AN ELETRI POWERTRAIN DESIGNED FOR USE IN A FIAT PANDA HYBRID VEHILE Steszczenie: W atykule zestawiono moele matematyczne elektycznego ukłau naęowego ołączonego o tylnej osi hybyowego ojazu FIAT Pana 4x4. W ozwiązaniu tym tylne koła ojazu naęzane są za omocą maszyny elektycznej ozez wubiegową zekłanię i mechanizm óżnicowy. W ezentowanej acy zestawiono moele matematyczne oszczególnych elementów elektycznego ukłau naęowego, któy skłaa się z moelu maszyny elektycznej, moelu szęgła, moelu ukłau naęowego, moelu ooów uchu ojazu oaz moelu kieowcy. oele te osłużą o wykonania baań symulacyjnych ozatywanego ukłau naęowego w śoowisku atlab/simulink. Abstact:This ae esents mathematical moels of the comonents of an electic owetain coule with the ea axle of a hybi FIAT Pana 4x4. In this solution, ea wheels ae iven by an electic moto though a tansmission with two geas an a iffeential. athematical moels of aticula ats of the electic owetain ae iscusse in the ae incluing: electic moto, clutch, owetain, ag foces an ive moels. This is neee to efom simulations of the examine electic owetain in the atlab/simulink envionment. Słowa kluczowe: hybyowy ukła naęowy, silnik salinowy, silnik elektyczny Keywos: hybi owetain, intenal combustion engine, electic moto. Wstę Rozwój naęu hybyowego ze wzglęu na wykozystanie o naęu silnika elektycznego jest bazo atakcyjny i aktualnym ziałaniem mającym na celu zmniejszenie zużycia aliwa i emisji związków toksycznych. Dzięki zastosowaniu oowieniego silnika elektycznego niektóe z ozwiązań naęów hybyowych umożliwiają ouszanie się ojazu w tybie elektycznym wykozystując wyłącznie enegię elektyczną. imo iż oucenci w ostatnich latach staają się zwiększać zasięg ojazu w tybie wyłącznie elektycznym zez zwiększanie ojemności bateii akumulatoów to zasięg ten jest wciąż niewystaczający. Ponato w większości ozwiązań ojazów hybyowych tyb elektyczny może być wykozystany tylko o ozwijania ewnej ękości ojazu, o któej zekoczeniu uuchomiany jest silnik salinowy (Toyota, Lexus). Jest to wciąż uża waa naęów hybyowych, któa oganicza użytkownikowi wykozystanie naęu elektycznego w uchu ozamiejskim. Liteatua otycząca steowania hybyowymi ukłaami zeniesienia naęu skuia się zee wszystkim na silniku salinowym [5,7,0,]. Takie oejście jest jak najbaziej uzasanione, gyż sawność maszyny elektycznej jest o wiele wyższa o silnika salinowego [,]. Jenak sawność silnika elektycznego ównież znacznie się óżni w zależności o unktu jego acy. Silnik elektyczny swoją najwyższą sawność osiąga tylko w ewnym zakesie ękości obotowej i momentu obotowego. hcąc efektywnie wykozystywać silnik elektyczny, należy tak obać zełożenie elektycznego ukłau naęowego, aby w zależności o obciążenia kontolować jego ękość obotową, czyli ouszać się o chaakteystyce jego największej sawności. Jenak ojaz w uchu ousza się w óżnych waunkach i z óżnymi ękościami. Aby wykozystywać silnik elektyczny w zakesie wyższych sawności wymagane jest zastosowanie wielu zełożeń ukłau naęowego, co wiąże się z buową skomlikowanej i ciężkiej skzyni biegów. W naęzie hybyowym wciąż najważniejszy jest naę salinowy, naę elektyczny jest tylko oatkowym naęem i jego konstukcja

2 56 aszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N /07 (4) musi być osta i elatywnie tania. Dlatego autozy skuili się na wykozystaniu tylko wóch zełożeń naęu elektycznego, któe ocelowo mają oawić zakes acy silnika elektycznego, eliminując niekozystne obszay jego acy. Najbaziej niekozystne unkty acy silnika elektycznego wystęują w takcie uszania ojazu, w czasie gy silnik elektyczny obciążony bazo wysokim momentem obotowym i acuje w zakesie niskiej ękości obotowej, czyli w obszaze swojej najniższej sawności. Dlatego iewszy bieg owinien być tak obany, aby obniżyć moment obotowy silnika elektycznego oczas uszania oaz jak najszybciej zwiększyć jego ękość obotową, czyli zenieść unkt jego acy w zakes wyższych sawności. Dugi bieg natomiast musi zaewnić osiąganie jak najwyższej ękości maksymalnej w tybie elektycznym, tak aby tyb ten można było ównież wykozystywać oza miastem. Pozez oowienie steowanie zmianą zełożenia naęu elektycznego (ouszanie się w zakesie najwyższej sawności silnika elektycznego) można znacznie wyłużyć zasięg jazy w tybie wyłącznie elektycznym, zy zachowaniu tej samej ojemności bateii akumulatoów. Wymaga to jenak oowieniego obou zełożeń ukłau naęowego oaz wymaganej mocy silnika elektycznego la anej konstukcji ojazu. W tym celu autozy agną wykonać szeeg symuacji mających na celu obó najkozystniejszej konstukcji oaz aametów elektycznego ukłau naęowego.. oele symulacyjne hybyowego ukłau naęowego w ojeźzie Fiat Pana W celu weyfikacji zestawionych założeń oaz właściwego obou aametów komonentów elektycznego ukłau naęowego, autozy oacowali niezbęne moele matematyczne, któe zostaną wykozystane o symulacji w śoowisku atlab/simulink. W oonowanym zez autoów ozwiązaniu naęu hybyowego, zenie koła ojazu naęzane są za omocą taycyjnego ukłau naęowego, któy skłaa się z silnika salinowego, szęgła i automatycznej skzyni biegów. Koła tylne natomiast naęzane są za omocą maszyny elektycznej, któa jest ołączona zez wubiegową skzynię biegów i mechanizm óżnicowy z kołami ojazu[7,8]. Zmiana biegów elektycznego ukłau naęowego obywa się zez wa ciene szęgła, któe steowane są za omocą siłowników hyaulicznych. Schemat ozatywanego ukłau naęowego zestawiono na ysunku. Rys.. Schemat hybyowego ukłau naęowego la miejskiego ojazu FIAT Pana 4x4 Poniżej oisano główne moele elektycznego ukłau naęowego, skłaające się z moelu silnika elektycznego, moelu oszczególnych elementów ukłau naęowego, moelu ooów uchu ojazu oaz moelu kieowcy... oel szęgła oel oaty na analizie elementów szęgła bazuje na ublikacjach [4,3,4]. Są możliwe cztey stany każego z wóch szęgieł i zgonie z tym, jak oisują to wzó wyznaczający statyczny moment tacia. Dla uoszczenia w moelu nie uwzglęnia się ciśnienia steującego załączaniem oszczególnych szęgieł. lecz jeynie siłę jaka jest zyłożona o tacz szęgłowych. Ganiczny moment zenoszony zez szęgło wynika ze statycznego momentu tacia i zależy o ilości owiezchni tących (k ), wsółczynnika tacia (µ ), śeniego omienia okłaziny cienej (R ), na któą ziała wyakowa siła tacia (F ). Ganiczny moment zenoszony zez szęgło może być oisany zależnością: ( ) k R F = sign ϕ µ () Jeżeli szęgło zenosi moment obotowy z silnika elektycznego E w waunkach kiey wzglęna ękość tacz szęgłowych jest óżna o zea ( ϕ& 0) to moment obotowy wynosi. Kiey óżnica wzglęnej ękości tacz szęgłowych saa o zea ( ϕ& =0), moment obotowy silnika elektycznego zenoszony zez szęgło może maksymalnie osiągnąć watość momentu obotowego oganiczonego zez statyczne tacie w ukłazie szęgła. Jeśli śeni moment obcią-

3 aszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N /07 (4) 57 żenia E jest mniejszy o statycznego momentu tacia szęgła to śeni moment obciążenia silnika elektycznego E ozostaje stały. W zyaku, gy na tacze nie ziała żana siła F =0 to szęgło zostaje ozłączone i nie zenosi żanego momentu obotowego. Równania te mają zastosowanie la obu szęgieł i. E = 0 E ϕ 0 ϕ = 0, ϕ = 0, ϕ 0, F E E = 0.. oel ukłau naęowego <, () Hybyowy ukła naęowy, któy jest tematem atykułu skłaa się z wóch niezależnych naęów umieszczonych na każej z osi naęowej. Pzenią oś naęza taycyjny ukła naęowy skłaający się z silnika salinowego, szęgła i skzyni biegów. Tylną oś natomiast naęza silnik elektyczny ołączony z wubiegową skzynią biegów i mechanizmem óżnicowym. Silnik elektyczny w zeciwieństwie o silnika salinowego, chaakteyzuje się ównomienością momentu obotowego, nie wymaga oatkowo stosowania koła zamachowego i tłumika gań. To owazi o zmniejszenia mas wiujących, co minimalizuje czas zmiany biegów i zmniejsza bezwłaność ukłau naęowego. W celu uoszczenia w moelu zyjęto nastęujące uoszczenia: - sztywność oony i ukłau tłumiącego jest ominięta, - moel nie uwzglęnia zjawisk zachozących na skutek wystęowania luzów w aach kinematycznych i ochyłek ich wykonania. Dynamiczny moel elektycznego ukłau naęowego zestawiono na ysunku. Rys.. Dynamiczny moel elektycznego ukłau naęowego Do oisu matematycznego wzajemnego oziaływania elementów ukłau naęowego wykozystano ównania Lagange a II ozaju. Poniższe ównania uwzglęniają ynamikę ukłau la biegu iewszego, wówczas gy załączone jest szęgło iewsze. Z zasay ac witualnych wyznaczono uogólnioną siłę ziałającą w ukłazie δl= = E E δ( ϕ i i3) gzie: - moment obotowy na kołach ojazu. 4 (3) W celu uoszczenia zaisu, sumę momentów bezwłaności skuionych mas oszczególnych elementów ukłau naęowego uwzglęniających zełożenie kół zębatych oisano za omocą stałej B, któa wynosi B= ( J + ( J G D S D D W G + ( J ) + ( J G W G T OS i T i 3 (4) gzie: J S - bezwłaność wału łączącego silnik elektyczny z zekłanią, J, J - bezwłaność szęgła i, J G, J G, J G, J G - bezwłaność kół zębatych, J OS - bezwłaność wału naęowego, J D, J D, J D3 - bezwłaność koła koonowego i koła talezowego mechanizmu óżnicowego, J W, J W - bezwłaność iast kół, J T, J T - bezwłaność kół ojazu, i - zełożenie iewszego biegu, i - zełożenie ugiego biegu, i 3 - zełożenie mechanizmu óżnicowego. Na ostawie ównania Lagange a II ozaju omijając człony związane z enegią otencjalną zgomazoną w naęzie, a także siłę ooów lekko sężystych można oisać ynamiczne ównanie uchu ukłau naęowego w ostaci & (5) E = B ϕ& + i i3 gzie: ϕ& & - zyśieszenie wału silnik elektycznego.3. oel maszyny elektycznej Do naęu tylnej osi ojazu wykozystano bezszczotkowy silnik ąu stałego z magnesami twałymi. Taki moel silnika elektycznego najczęściej oisuje się za omocą ównań Lagange'a. Jenak taki moel matematyczny w niektóych zyakach może być niewystaczający, gyż nie uwzglęnia w sosób bezo-

4 58 aszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N /07 (4) śeni chaakteystyk sawności i zjawisk temicznych wystęujących la anej konstukcji silnika elektycznego. Dlatego w zyaku, gy wymagana jest okłaniejsza analiza wływu steowania na wskaźniki acy całego systemu (sawność, zużycie enegii) o baań symulacyjnych można wykozystać moele, któe uwzglęniają zeczywistą (okeśloną omiaowo) chaakteystykę elementów wchozących w skła baanego systemu. Z tego owou autozy o baania oonowanego ukłau naęowego wykozystali moel silnika elektycznego oaty na zmiezonych maach: momentu obotowego i sawności. Pzy czym quasi-statyczny moment obotowy silnika elektycznego wyażony jest funkcją f ( α, ω ) = E0 E (6) gzie E0 to zmiezony moment obotowy silnika elektycznego w stanie ustalonym, α to uchylenie eału zyśieszenia, ω E jest ękością kątową silnika elektycznego. Sawność silnika elektycznego wyażono funkcją η = f ω, ) (7) E ( E E0 Natomiast ynamiczny moment obotowy na wale wyażony jest jako E.4. oel uchu ojazu ωe = E0 J (8) t Postawowe ównanie oisujące ynamikę ostoliniowego uchu ojazu można wyazić ozez elację omięzy momentem naęowym na kołach, momentem oou uchu ojazu oaz momentem hamowania zaawanym zez kieowcę H (7), co zestawia oniższe wyażenie v m t = OR gzie: m - masa ojazu, v - ękość ojazu, - omień ynamiczny koła ojazu. H (9) oment oou uchu OR samochou wyażono jako sumę siły oou toczenia F T i owietza F P zy anym omieniu ynamicznym koła ojazu [3,]. OR ( FT + FP) = (0) Siła oou toczenia F T, zy zeowym kącie wzłużnego ochylenia ogi wynosi F t T = f m g () gzie: f t - wsółczynnik oou toczenia, m - masa ojazu, g - zyśieszenie ziemskie. Siła oou owietza F wynosi ρv FP = cx A () gzie: c x - wsółczynnik oou owietza, A - owiezchnia czołowa ojazu, v - ękość ojazu, ρ - gęstość owietza..5. oel kół naęzanych oment obotowy na kołach naęzanych ( ) jest ównoważony siłą obwoową F N, ziałającą w obszaze styku koła z nawiezchnią ogi wynosi = F (3) Siła obwoowa F N jest ównoważona siłą zyczeności N = μ (4) Z Watość wsółczynnika zyczeności μ jest zależna o oślizgu wzłużnego S x okeślona ównaniem - w zyaku ozęzania ν Sx = (5) ω - w zyaku hamowania ω Sx = (6) ν.6. oel zachowania kieowcy Oziaływanie kieowcy na ukła naęowy oisano w funkcji óżnicy omięzy ękością zaaną v, a ękością chwilową samochou v. oment hamujący H geneowany jest za omocą egulatoa tyu P, któego wzmocnienie k h obano weług zależności H k = 0 h v v lav lav > v v (7) aksymalną watość momentu hamującego wyznaczono z waunku ganicznej watości siły hamującej la anego ojazu. 3. Wnioski Silniki elektyczne są coaz częściej wykozystywane w naęach elektycznych i hybyo-

5 aszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe N /07 (4) 59 wych. imo, iż chaakteystyka momentu silnika elektycznego jest znacznie kozystniejsza o silnika salinowego to w zyaku niewielkich jenostek elektycznych wciąż wymagana jest oatkowa zekłania o kilku zełożeniach, któa ozwoli wykozystywać silnik elektyczny w całym zakesie ękości ojazu. Największą zaletą ukłau hybyowego zaoonowanego zez autoów jest bak mechanicznego ołączenia ukłau naęowego silnika salinowego i maszyny elektycznej, zez co ukłay te mogą acować niezależnie. Jenak obó aametów oaz oacowanie stategii steowania ozatywanym ukłaem naęowym jest zaaniem bazo złożonym. Analiza zebanej liteatuy oaz oświaczenia autoów otwiezają ten fakt, że sosób steowania ukłaem naęowym może w istotny sosób wływać na jego wskaźniki acy. Istnieje w nim uża liczba możliwości i stoni swoboy o otymalizacji ocesu eksloatacji. Ukła hybyowy, jako ołączenie wóch ozajów naęów oiea się na steowaniu ozziałem momentu omięzy woma źółami naęu, czyli silnikiem salinowym i maszynę elektyczną. Znalezienie awiłowego ozwiązania oblemu steowania ozatywanym ukłaem naęowym wymaga uwzglęnienia secyfiki ziałania elementów wchozących w jego skła, czyli silnika salinowego, silnika elektycznego, oatkowej zekłani oaz bateii akumulatoów. Dlatego szczegółową analizę właściwości takcyjnych oacowanego ukłau naęowego autozy agną wykonać za omocą baań symulacyjnych, bazujących na moelach zestawionych w tym atykule. Obecnie owazone są baania stanowiskowe silnika elektycznego, któe ozwolą na wyznaczenie chaakteystyk silnika elektycznego niezbęnych o wykonania baań symulacyjnych ozatywanego elektycznego ukłau naęowego. 4. Liteatua []. Jantos J.: "ontol of the Tansmission Ratio Deivative in Pasenge a Powetain with VT", SAE Technical Pae Seies, SAE 00 Wol onges, Detoit, ichigan , 00. []. Jantos J.: " "Zintegowane steowanie samochoowym, salinowym ukłaem naęowym o zełożeniu zmiennym w sosób ciągły", Oficyna Wyawnicza Politechnika Oolska, Oole 003. [3]. Z. Jaśkiewicz: "Pojektowanie ukłaów naęowych ojazów samochoowych, WKŁ, Waszawa 98. [4]. anish Kulkani, Taehyun Shim, Yi Zhang: "Shift ynamics an contol of ual-clutch tansmissions, echanism an achine Theoy 4 (007) [5]. K. Nakamuaa, H. Kosakaa, K. Kaotab, K.i Shimizu: "Develoment of a moto-assiste 4WD system fo smallfont-wheel-ive vehicles Elsevie,JSAE Review 4 (003) [6]. A. Lechowicz, A. Augustynowicz: "Hybyowy ukła naęowy wykozystujący zekłanię lanetaną", Silniki Salinowe ombustion Engines n 3 st. 45-5, 0. [7]. A. Lechowicz, A. Augustynowicz: "Hybyowy ukła naęowy la małych ojazów miejskich", aszyny elektyczne - Zeszyty Poblemowe, n. 0 st [8]. A. Lechowicz, A. Augustynowicz: "Pojekt hybyowego ukłau naęowego la ojazu Fiat Pana", aszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe, n 05, st [9]. A. Lechowicz, A. Augustynowicz: "Analiza wybanych własności takcyjnych samochou FIAT Pana z hybyowym ukłaem naęowym, aszyny Elektyczne - Zeszyty Poblemowe n, [0].. Pisanti, G.Rizzo, V.aano: "Enegy anagement of Though-The-Roa Paallel Hybi Vehicles", The Intenational Feeation of Automatic ontol, 04. []. A. Szumanowski: "Hyby Electic, Vehicle Dive Design", Wyawnictwo ITEE, Waszawa Raom 006. []. A. Szumanowski: "Teoia uchu. Akumulacja enegii w ojazach", Wyawnictwo Komunikacji i Łączności, Waszawa 983. [3]. P.D. Walke, N. Zhang, R. Tamba: "ontol, of geashifts in ual clutch tansmission owetains, ech. Syst. Signal Pocess. 5 (00) [4]. P.D. Walke, N. Zhang, B.Zhu: Powetain ynamics an contol of a two see ual clutch tansmission fo electic vehicles echanical Systems an Signal Pocessing 85 (07) 5.