KRÓL Emil 1 Badanie efektywności energetycznej pojazdu hybrydowego bimodalnego WSTĘP Napęd hybrydowy jest połączeniem dwóch rodzajów napędów. Obecnie w pojazdach, jako napęd hybrydowy najczęściej stosuje się połączenie silnika spalinowego z silnikiem elektrycznym. Hybrydowy bimodalny układ napędowy pojazdu mechanicznego, w standardowym wykonaniu, składa się z tradycyjnego napędu spalinowego plus zabudowanego na wale transmisyjnym silnika elektrycznego. Silnik jest zasilany z baterii akumulatorów poprzez dwukierunkowy przekształtnik energoelektroniczny [1]. Napęd bimodalny charakteryzuje się tym, że silnik spalinowy i silnik elektryczny mogą pracować wyłącznie indywidualnie []. Oba silniki nie mogą napędzać pojazdu jednocześnie, jednak przy pracy silnika spalinowego silnik elektryczny może pracować, jako prądnica ładując akumulatory pokładowe, a także odzyskiwać energię kinetyczną podczas hamowania pojazdu. W układzie hybrydowym bimodalnym można wyróżnić trzy tryby pracy napędu: napęd pojazdu silnikiem spalinowym, silnik elektryczny nie pracuje, lecz wirnik silnika wiruje, jest to normalny stan pracy na trasach przejazdowych; napęd pojazdu silnikiem elektrycznym, silnik spalinowy nie pracuje (jest zatrzymany), jest to stan jazdy miejskiej, w którym silnik elektryczny jest wykorzystany także do hamowania odzyskowego pojazdu; napęd pojazdu silnikiem spalinowym, przy czym silnik elektryczny pracuje, jako prądnica ładująca akumulatory pokładowe bądź hamuje pojazd oddając moc do akumulatorów. W każdym z tych trybów istnieje możliwość wyłączenia przez kierowcę pojazdu hamowania regeneracyjnego, w przypadku, w którym hamowanie to mogłoby powodować uślizg kół tylnych na śliskiej powierzchni. Tryb pracy, w którym ładujemy akumulatory z wykorzystaniem silnika spalinowego jest traktowany, jako rezerwowy, ponieważ jest nieopłacalny ekonomicznie. Znacznie taniej jest naładować akumulatory z sieci elektroenergetycznej niż używać silnika spalinowego do jazdy oraz równoczesnego ładowania akumulatorów pokładowych. Zalet napędu hybrydowego bimodalnego jest kilka: duży zasięg pojazdu, możliwość odzysku energii hamowania, niski koszt jazdy, redukcja emisji spalin i pyłów z układu hamulcowego, która jest najbardziej odczuwalna w jeździe miejskiej oraz ograniczenie hałasu, co skutkuje w oczywisty sposób poprawą komfortu życia w aglomeracjach miejskich. Natomiast do wad napędu hybrydowego należy zaliczyć: wyższą cenę pojazdu, większą masę pojazdu i większe zużycie paliwa w jeździe poza miastem (ze względu na wzrost masy pojazdu). Pojazd z napędem hybrydowym bimodalnym został zbudowany w oparciu o produkowany seryjnie samochód dostawczy Honker Cargo (dawniej DZT Pasagon). Samochód ten wykorzystano do badania efektywności odzysku energii hamowania. 1 SAMOCHÓD DOSTAWCZY HONKER CARGO Z NAPĘDEM HYBRYDOWYM BIMODALNYM Model samochodu z napędem hybrydowym bimodalnym zbudowano w Instytucie Napędów i Maszyn Elektryczny Komel. W produkowanym seryjnie samochodzie dostawczym Honker Cargo, zainstalowano dodatkowo napęd elektryczny składający się z silnika elektrycznego, dwukierunkowego przekształtnika energoelektronicznego i baterii akumulatorów []. W samochodzie 1 Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL, Al. Roździeńskiego 188, PL-40-03 Katowice, Tel.:(+483) 99-93-81 w 19, Fax: (+483) 99-93-89,e-mail: e.krol@komel.katowice.pl, www.komel.katowice.pl 6103
zastosowano również elektryczne zamienniki pomp wspomagania hamowania i wspomagania kierownicy oraz zastosowano elektryczne ogrzewanie w czasie jazdy z napędem elektrycznym [1]. Samochód Honker Cargo ma napęd na tylną oś. Silnik elektryczny został zabudowany na wale transmisyjnym napędu między blokiem spalinowym (silnik spalinowy + skrzynia biegów), a przekładnią różnicową (dyferencjałem). Zdjęcie samochodu jest przedstawione na rysunku 1, a rozmieszczenie elementów elektrycznego układu napędowego pokazano na rysunku. Parametry elektrycznego układu napędowego: moc maksymalna silnika elektrycznego - 70 kw; moment maksymalny silnika elektrycznego - 50 N m; pojemność energetyczna akumulatorów trakcyjnych 1 kwh; masa elektrycznego układu napędowego - 440 kg. Silnik elektryczny jest wzbudzany magnesami trwałymi umieszczonymi wewnątrz wirnika, zasilony z przekształtnika generującego sinusoidalną falę prądu (sterownik silnika). Przekształtnik zasilany jest z baterii akumulatorów litowo - jonowych. Elektryczny układ napędowy pracuje bez wykorzystania skrzyni biegów, dźwignia zmiany biegów jest zablokowana w pozycji neutralnej [4]. Parametry trakcyjne pojazdu z wykorzystaniem napędu elektrycznego: maksymalny zasięg jazdy 100 km; prędkość maksymalna 70 km/h; czas ładowania baterii - ok. 3 godzin (dla ładowarki 3-fazowej). Napęd hybrydowy bimodalny może pracować w dwóch całkowicie niezależnych trybach i stąd jego nazwa. W trybie pierwszym, który można określić, jako tryb diesel, samochód jest napędzany wyłącznie przez standardowy, montowany fabrycznie, silnik spalinowy (dla samochodu dostawczego jest to silnik diesla). Tryb diesel jest wykorzystywany do przejazdów pozamiejskich na dłuższych trasach. Samochód w trybie diesel napędzany jest przez silnik spalinowy, współpracujący ze standardową skrzynią biegów, zatem jego zasięg i prędkości, na poszczególnych biegach, są porównywalne do pojazdu wyposażonego tylko w napęd spalinowy. Niewielkiemu pogorszeniu uległa dynamika pojazdu, ponieważ akumulatory i silnik elektryczny podniosły masę własną pojazdu. W napędzie bimodalnym silnik elektryczny w trybie diesel pracuje tylko, jako prądnica doładowująca baterie akumulatorów podczas hamowania lub dojeżdżania do skrzyżowania oraz podczas ładowania akumulatorów z użyciem silnika spalinowego. W przypadku wykorzystania do jazdy silnika spalinowego silnik elektryczny może pracować, jako prądnica do prędkości 85 km/h pojazdu, powyżej tej prędkości silnik elektryczny jest fizycznie odłączany od falownika, ponowne załączenie silnika elektrycznego do falownika następuje, jeżeli prędkość pojazdu spadnie poniżej 30 km/h. Wyłączenia i załączenia silnika do falownika realizowane są automatycznie bez udziału kierowcy. 6104
Rys.1. Pojazd dostawczy Honker Cargo z napędem hybrydowym bimodalnym W trybie elektrycznym samochód jest napędzany wyłącznie przez silnik elektryczny. Tryb elektryczny jest wykorzystywany w aglomeracjach miejskich i w terenach zabudowanych. Rys.. Rozmieszczenie elementów napędu hybrydowego bimodalnego W trybie elektrycznym prędkość maksymalna pojazdu po płaskim terenie wynosi 70 km/h, w przypadku samochodu obciążonego i zjazdu ze wzniesienia prędkość maksymalna została ograniczona do 75 km/h, powyżej tej prędkości pojazd sam zaczynach hamować elektrycznie niezależnie czy kierowca używa pedału hamulca czy w dalszym ciągu ma wciśnięty pedał przyspieszenia. 6105
Ze względu na wykorzystanie wyłącznie silnika elektrycznego, tryb elektryczny pracy napędu charakteryzuje się dużą czystością ekologiczną. Zredukowana jest do zera emisja szkodliwych spalin i CO do atmosfery, zostaje zmniejszone zapylenie ze ścierających się klocków i okładzin hamulcowych oraz zdecydowanie ograniczony jest hałas generowany przez pracujący silnik spalinowy. Zgodnie z założeniami silnik spalinowy ma być wykorzystywany do przejazdów na dłuższych odcinkach, poza miastami lub poza terenami zabudowanymi. Na obszarze miasta i terenach zurbanizowanych głównym napędem jest silnik elektryczny. Jednak, jeżeli zasięg pojazdu na to pozwala, to napęd elektryczny może być używany również poza miastem. Jazda w mieście charakteryzuje się częstym hamowaniem, postojami w korkach i na skrzyżowaniach oraz ruszaniem z miejsca. Taki tryb pracy jest bardzo niekorzystny i nieekonomiczny dla napędu z silnikiem spalinowym [3], ponieważ charakterystyka momentu silnika spalinowego jest tak ukształtowana, że optymalny punkt pracy jest osiągany przy wyższych prędkościach obrotowych silnika. Silniki spalinowe podczas ruszania są źródłem szczególnie dużej ilości emisji szkodliwych zanieczyszczeń do atmosfery oraz są źródłem znacznego hałasu. Wykorzystanie napędu elektrycznego w samochodach osobowych i dostawczych poruszających się po terenach miejskich powinno spowodować istotne ograniczenie zanieczyszczeń powietrza oraz ograniczenie hałasu. BADANIE EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ POJAZDU HYBRYDOWEGO BIMODALNEGO Badanie efektywności energetycznej pojazdu hybrydowego bimodalnego przeprowadzono przy jeździe z wykorzystaniem hamowania odzyskowego. Hamowanie odzyskowe w pojeździe hybrydowym bimodalnym działa dwuetapowo zarówno w trybie elektrycznym jak również w trybie diesel. W pierwszym etapie hamowanie odzyskowe jest uruchamiane, gdy kierowca nie używa pedału przyspieszenia, jest to odpowiednik hamowania silnikiem w samochodzie spalinowym. Drugi etap hamowania odzyskowego jest aktywowany w przypadku użycia przez kierowcę pedału hamulca, pedał hamulca jest oczujnikowany i informacja o jego wychyle jest przekazywana do komputera pokładowego (ECU) pojazdu, następnie ECU reguluje siłę hamowania elektrycznego w zależności od wychylenia pedału hamulca. ECU jest tak skonfigurowane, aby pozwalało odzyskać jak najwięcej energii podczas hamowania, w czasie, w którym hamulce cierne jeszcze nie pracują z pełna wydajnością. Eksperyment zaprojektowano dwuetapowo i zrealizowano następująco: w pierwszym etapie pojazd staczał się z góry w dół na możliwie długim odcinku trasy i był hamowany wyłącznie silnikiem elektrycznym z odzyskiem energii; w drugim etapie pojazd z ładunkiem jeździł po aglomeracji śląskiej (ruch miejski) z wykorzystaniem tylko napędu elektrycznego z aktywnym trybem odzyskiwania energii podczas hamowania. W pierwszym etapie wybrano trasę przejazdu między przełęczą Sarmopol i Wisłą Malinka, która przebiega cały czas w dół, trasę zidentyfikowano, co do długości i różnicy wzniesień: długości l = 5.8 km, różnica wysokości h = 360 m, mapka trasy jest przedstawiona na rysunku 3; zidentyfikowano masę pojazdu z kierowcą i ładunkiem m s = 3175 kg; przejazd samochodu monitorowano rejestrując wartość odzyskanej energii: E e = 1,9 kwh. 6106
Rys.3. Mapka trasy przejazdu etapu pierwszego pojazdu hybrydowego bimodalnego Bilans energetyczny przejazdu: różnica energii potencjalnej samochodu między górnym i dolnym odcinkiem trasy ms gh 3175 9,81 360 Em 3, 11 kwh (1) 6 3,6 10 3600000 gdzie: m s masa pojazdu, g przyspieszenie ziemskie, h różnica wysokości, energia mechaniczna rozpraszana na oporach ruchu i w układzie przetwarzania (silnik plus falownik): Er Em Ee 3,11 1,9 1, 1 kwh () Podział procentowy energii odzyskanej E e% 61 % i energii rozpraszanej E r% 39 % W drugim etapie badań wykonano jazdy pojazdem hybrydowym bimodalnym z ładunkiem o masie 800 kg poruszano się po aglomeracji śląskiej (ruch miejski) z wykorzystaniem tylko napędu elektrycznego z aktywnym trybem odzyskiwania energii podczas hamowania. Czas przejazdu wyniósł 53 minuty, średnia prędkość 9,4 km/h, łączny dystans, jaki pokonano to 6 km. Podczas jazdy rejestrowano parametry elektryczne napędu oraz prędkość pojazdu i wysokość nad poziomem morza. Wyniki przeprowadzonego eksperymentu wykorzystano do oceny efektywności energetycznej pojazdu dostawczego, typu Honker Cargo z napędem bimodalnym, w jeździe miejskiej. 6107
Prąd baterii [A] Prąd baterii [A] Energia pobierana [kwh] 0,0-1,0 -,0-3,0-4,0-5,0-6,0-7,0-8,0-9,0 Rys.4. Suma energii elektrycznej pobranej z akumulatora podczas jazdy Na rysunku 4 przedstawiono wykres ilości pobranej energii elektrycznej podczas jazdy samochodu po ulicach Sosnowca i okolic. Na podstawie zarejestrowanych przebiegów prądu (rysunek 5) i napięcia z akumulatora głównego wyliczono, że na przejechanie 6 km pojazd potrzebował E hbp = 9, kwh energii, z czego energia odzyskana to E hbpo = 0,8 kwh energia pobrana z akumulatora głównego to E hbpp = 8,38 kwh 50 30 10-10 -30-50 -70-90 -110-130 Rys.5. Zarejestrowany przebieg prądu akumulatora podczas jazdy 50 30 10-10 40 41 4 43 44 45 46 47 48 49 50-30 -50-70 -90-110 Rys.6. Wycinek zarejestrowanego przebiegu prądu akumulatora podczas jazdy Na rysunku 6 przedstawiono wycinek zarejestrowanego przebiegu prądu pobieranego i oddawanego podczas hamowania odzyskowego do akumulatora. Prąd ujemy jest to prąd pobierany 6108
Prędkość samochodu [km/h] Energia odzyskana [kwh] Moc pobierana i oddawana do baterii [kw] przez silnik podczas jazdy, prąd dodatni jest to prąd odzyskiwany podczas hamowania lub zwalniania pojazdu z napędem hybrydowym bimodalnym. W prądzie odzyskanym (rysunek 6) łatwo można zaobserwować dwuetapowe działania hamowania odzyskowego, piki prądu uwidoczniają się na krótko podczas używania pedału hamulca, przez dłuższy okres działa hamowanie o stałym prądzie imitujące hamowanie silnikiem spalinowym. 0 10 0-10 -0-30 -40-50 Rys.8. Moc elektryczna pobierana i oddawana do akumulatora głównego 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 0,0 Rys.9. Suma odzyskanej energii podczas hamowania 60,0 50,0 40,0 30,0 0,0 10,0 0,0 Rys.10. Prędkość pojazdu podczas badania testowego 6109
Wysokość npm [m] 370,0 360,0 350,0 340,0 330,0 30,0 310,0 300,0 90,0 80,0 Rys.11. Wysokość drogi nad poziomem morza podczas badania testowego Badania testowe rozpoczęto i zakończono na tej samej wysokości na poziomie morza, co umożliwiło wyeliminowanie wpływu energii potencjalnej na wynik badania. Podczas jazdy testowej odzyskano około 8,9 % energii zużytej podczas jazdy, dla samochodów osobowych z napędem elektrycznym wartość ta jest ponad dwukrotnie większa [3], wynika to miedzy innymi ze znacznie mniejszych oporów toczenia oraz z wyższych prędkości poruszania się pojazdu osobowego. Przeprowadzono również porównanie teoretyczne zużycia energii przez pojazd seryjny i pojazd z napędem bimodalnym w jeździe w mieście. Założenia: masa pojazdu seryjnego wynosi 160 kg, pojazd jest obciążony ładunkiem 800 kg plus kierowca o masie 75 kg, łączna masa wynosi m s1 = 3035 kg; masa pojazdu z napędem hybrydowym bimodalnym wynosi 600 kg, pojazd jest obciążony ładunkiem 800 kg plus kierowca o masie 75 kg, łączna masa wynosi m b = 3475 kg; pojazdy jeżdżą przez 8 godzin dziennie w mieście, pojazd bimodalny napędzany jest silnikiem elektrycznym i jest hamowany z odzyskiem energii; pojazdy hamują 10 razy na godzinę od prędkości 50 km/h do 0 km/h ( v 13,89 m/s), cykli hamowania w czasie 8 godzin jest n = 80. Pojazd seryjny wytraca w hamulcach energię ms 1v 3035 13,89 Esh n 80 6, 5 kwh (3) gdzie: m s1 masa pojazdu z napędem spalinowym, v prędkość pojazdu, n liczba cykli hamowania. Pojazd z napędem bimodalnym wytraca energię w czasie hamowania mbv 3475 13,89 Ebh n 80 7, 45 kwh (4) gdzie: m b masa pojazdu z napędem bimodalnym, v prędkość pojazdu, n liczba cykli hamowania. Zakłada się, że 61% tej energii będzie odzyskana przez silnik elektryczny i przekazana do akumulatora, a 39% energii będzie tracona w oporach ruchu i układzie przetwarzającym. 6110
Odzyskana energia hamowania przekazana do akumulatorów. Eo 0,61 Ebh 0,61 7,45 4, 54 kwh (5) Przy założeniu średniej prędkości osiągalnej w aglomeracjach miejskich na poziomie 5km/h, przez 8 godzin pojazd może przejechać około 00km. W tym czasie pojazd hybrydowy bimodalny odzyska 4,54 kwh energii, co pozwoli mu przejechać dodatkowo około 14, km z ładunkiem 800kg. W przypadku napędu z silnikiem spalinowym energia ta uległaby rozproszeniu i całkowitej utracie. Dodatkową korzyścią dla kierowcy będzie wydłużenie pracy układu hamulcowego, ponieważ elementy cierne układu hamulcowego będą zużywać się wolniej, a korzyścią dla środowiska jest brak spalin i pyłu ze ścieranych hamulców. Jednostkowe zużycie energii przez obciążony ładunkiem pojazd bimodalny wynosi; e b = 0,3 kwh/km. PODSUMOWANIE Zastosowanie w pojeździe dostawczym, który większość czasu jeździ w mieście, napędu hybrydowego bimodalnego zmniejsza koszty eksploatacji pojazdu, a pojazd nie jest uciążliwy dla środowiska. Koszt oleju napędowego zużywanego na przejechane 100 km pojazdem dostawczym z silnikiem diesla wynosi ok. 60 zł, w jeździe poza miastem. Natomiast w ruchu miejskim, ze względu na małą prędkość poruszania oraz częste postoje i przyspieszenia, koszt ten wynosi około 80 zł. Tymczasem koszt energii ładowania akumulatorów, potrzebnej do przejechania 100 km w ruchu miejskim pojazdem napędzanym silnikiem elektrycznym wynosi około 1 zł. Zatem dla użytkowników pojazdów transportowych wyposażonych w silniki elektryczne, np. firm zaopatrzeniowych i kurierskich, pojawia się możliwość znacznego obniżenia kosztów działalności. Znaczne oszczędności ekonomiczne wynikające z zastosowania napędu elektrycznego gwarantują zwrot nakładów poniesionych na jego zainstalowanie w pojazdach. Zainteresowanie pojazdami o napędzie elektrycznym lub hybrydowym wykazują także duże firmy transportowe o zasięgu światowym, chcące być postrzegane przez klientów, jako firmy dbające o środowisko naturalne. Pojazdy z napędami elektrycznymi i hybrydowymi będą coraz częściej spotykane na naszych drogach, obecnie jest to nadal droga technologia, determinowana przez cenę akumulatorów, jednak rynek szybko się rozwija i ceny pojazdów elektrycznych oraz hybrydowych będą sukcesywnie się obniżać. Streszczenie Przedstawiono samochód dostawczy z napędem hybrydowym bimodalnym. Bazując na eksperymencie drogowym określono efektywność energetyczną pojazdu hybrydowego bimodalnego jeżdżącego w mieście oraz poza miastem, przy wykorzystaniu tylko napędu elektrycznego i hamowania odzyskowego. Koszy energii elektrycznej samochodu bimodalnego porównano z kosztami paliwa samochodu napędzanego silnikiem spalinowym, który spełnia tę samą funkcję przewozową. Napęd bimodalny charakteryzuje się tym, że silnik spalinowy i silnik elektryczny mogą pracować wyłącznie indywidualnie. Oba silniki nie mogą napędzać pojazdu jednocześnie, jednak przy pracy silnika spalinowego silnik elektryczny może pracować, jako prądnica ładując akumulatory pokładowe, a także odzyskiwać energię kinetyczną podczas hamowania pojazdu. W układzie hybrydowym bimodalnym można wyróżnić trzy tryby pracy napędu: - napęd pojazdu silnikiem spalinowym, silnik elektryczny nie pracuje, lecz wirnik silnika wiruje, jest to normalny stan pracy na trasach przejazdowych; - napęd pojazdu silnikiem elektrycznym, silnik spalinowy nie pracuje (jest zatrzymany), jest to stan jazdy miejskiej, w którym silnik elektryczny jest wykorzystany także do hamowania odzyskowego pojazdu; - napęd pojazdu silnikiem spalinowym, przy czym silnik elektryczny pracuje, jako prądnica ładująca akumulatory pokładowe bądź hamuje pojazd oddając moc do akumulatorów. 6111
Investigation of energy efficiency of hybrid bimodal vehicle Abstract Van with bimodal hybrid drive has been presented in the paper. Its energy efficiency has been determined experimentally for urban and extra - urban traffic conditions using electric drive only with regenerative braking and without. The cost of electric energy of bimodal car has been compared to fuel cost of ICE car driving over the same route with identical load. The bimodal drive is characterized by the fact that IC engine and electric motor can operate individually only they cannot drive the vehicle working together at the same time. However when IC engine operates the electric motor may work in generator mode charging on - board battery and it may also recuperate kinetic energy during braking. In bimodal hybrid drive we may distinguish three different drive modes: - vehicle driven with ICE, electric motor does not work, this is normal mode of operation for extra - urban driving; - vehicle driven with electric motor IC engine does not work, this is usually used in urban driving electric motor is utilized for recuperative braking as well; - vehicle driven with ICE and electric motor operates as generator charging battery or it brakes the vehicle recuperating power into the battery. BIBLIOGRAFIA 1. Dukalski P, Białas A, Radwański W, Będkowski B, Fręchowicz A: "Koncepcja napędu z silnikiem BLDC o przełączalnej liczbie zwojów w napędzie samochodu elektrycznego". - Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), ISSN 0033-097. Nr 10/013, str 194.. Król E, Białas A: Koncepcja napędu hybrydowego przeznaczonego do samochodu dostawczego. Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne, ISNN 039-3646. Nr 1/01, str 145-148. 3. Rossa R: Badania eksploatacyjne samochodu osobowego zelektryfikowanego zestawem e-kit, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne ISNN 039-3646. Nr /014, str 145-149. 4. Elektromagnetyczna blokada skrzyni biegów pojazdu hybrydowego. Zgłoszenie patentowe RP: P. 401916 BOBRME Komel. Publikacja powstała w ramach realizacji Projektu finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju nr N R01-0085-10 pt. Hybrydowy, bimodalny napęd spalinowo-elektryczny dla samochodów transportu osobowego i towarowego o masie całkowitej do 3.5t. 611