Nap d hybrydowy koncepcja sterowania GABRIEL KOST ANDRZEJ NIERYCHLOK Nap dy wspó czesnych pojazdów sà uk adami bardzo z o onymi. W sk ad takiego uk adu wchodzà ró nego rodzaju zespo y mechaniczne, elektryczne, elektroniczne oraz sieci informatyczne (sieci wymiany danych). Koncepcja pojazdu z silnikiem elektrycznym lub hybrydowym (elektryczno-spalinowym) nie jest nowym rozwiàzaniem. Pierwsze pojazdy z silnikami elektrycznymi pojawi y si pod koniec XIX wieku. Lata dwudzieste XX wieku zahamowa y rozwój ówczesnych maszyn ko owych nap dzanych silnikiem elektrycznym, ze wzgl du na [1 3]: koszt uzyskania energii elektrycznej, który znacznie przekracza koszt energii uzyskiwanej przez spalanie paliw ropopochodnych, mas akumulatorów potrzebnych do zasilania silnika, która istotnie zwi ksza mas pojazdu ko owego, a przez to ogranicza ich zasi g oraz maksymalnà pr dkoêç jazdy. Pomys wykorzystania nap du elektrycznego wróci pod koniec XX wieku w formie spalinowo- -elektrycznego nap du hybrydowego, zaê ostatnie lata przynios y rozwój koncepcji nap du elektrycznego w pojazdach samochodowych przeznaczonych g ównie do ruchu miejskiego. Wa nym czynnikiem kszta tujàcym rozwój nap dów hybrydowych staje si koniecznoêç osiàgania wysokiej efektywnoêci transportowej, przy minimalizacji szkodliwego oddzia ywania nap du spalinowego na Êrodowisko naturalne [3, 4]. Mechanika ruchu pojazdu Zachowanie si samochodu (pojazdu ko owego) w trakcie jazdy zale y w bardzo du ym stopniu od jego budowy oraz cech konstrukcyjnych. Poznanie dynamiki ruchu pojazdu ko owego jest podstawà stosowanych rozwiàzaƒ konstrukcyjnych w zakresie rozwoju nap dów i koncepcji sterowania uk adami nap dowymi pojazdów ko owych. Rozmieszczenie g ównych zespo ów i dobór uk adów nap dowych ma Dr hab. in. Gabriel Kost, prof. Pol. Âl. i mgr in. Andrzej Nierychlok sà pracownikami Wydzia u Mechanicznego Technologicznego Politechniki Âlàskiej w Gliwicach. decydujàcy wp yw na zachowanie si pojazdu podczas ruchu. Czynniki te wp ywajà na w aêciwoêci ruchowe pojazdu, w szczególnoêci na [5, 6]: kierowalnoêç 1 i statecznoêç 2 pojazdu w ruchu, zdolnoêç do rozp dzania i hamowania, mo liwoêç pokonywania wzniesieƒ, nierównoêci i przeszkód drogowych, odpornoêç na zarzucenie 3 i wywrócenie, pr dkoêç maksymalnà oraz zu ycie paliwa w ró nych warunkach drogowych. Budowa uk adu nap dowego przesàdza o sposobie przeniesienia energii od silnika do kó nap dowych. G ównym zadaniem silnika nap dowego jest wytworzenie takiego momentu nap dowego, dzi ki któremu mo liwa jest jazda pojazdu do przodu i do ty u. Moc, jakà mo e wytworzyç silnik, wykorzystywana jest na pokonanie oporów ruchu, oporów tarcia, oporów bezw adnoêci. Zagadnienia te sà szczególnie wa ne w przypadku opracowywania koncepcji nap du hybrydowego, w którym wzajemne wspó dzia anie dwóch rodzajów nap dów o ró nych charakterystykach dynamicznych w istotny sposób wp ywa na sprawnoêç ca ego nap du, a przez to na efektywnoêç jego wykorzystania, charakterystyk kinematycznà i dynamicznà pojazdu oraz komfort jazdy. Moment nap dowy Do g ównych wymagaƒ stawianych nap dom pojazdów ko owych (wynikajàcych z warunków ruchowych pojazdu) nale à [1, 5, 6]: elastycznoêç podczas przyêpieszania (tzw. zdolnoêç przyêpieszania), zdolnoêç do pokonywania wzniesieƒ z danà dla danego pojazdu pr dkoêcià, zdolnoêç do ruszania pojazdem ko owym na drodze o pewnym z góry okreêlonym kàcie nachylenia jezdni (tzw. wznios graniczny). Spe nienie tych wymagaƒ przez uk ad nap dowy jest mo liwe w przypadku dostatecznie du ego momentu nap dowego oraz mocy, które sà niezb dne do pokonania oporów ruchu. Podstawowym warunkiem, jaki musi zostaç spe niony przez nap d pojazdu, jest by: M n M op (1) gdzie: M n moment nap dowy na ko ach pojazdu, N m; M op moment oporów ruchu wyst pujàcy na ko ach pojazdu, N m. 1 KierowalnoÊç parametr charakteryzujàcy zachowanie si pojazdu w ruchu podczas jego manewrowania przez kierowc. 2 StatecznoÊç zdolnoêç do zachowania nadanego przez kierowc kierunku jazdy. 3 Zarzucanie zeêlizgni cie si pojazdu z po àdanej przez kierowc trajektorii ruchu. 30
Wynika stàd, e ruch pojazdu ko owego mo liwy jest tylko i wy àcznie przy spe nieniu warunku, e uk ad przeniesienia nap du dysponuje wi kszà lub równà wartoêcià momentu nap dowego od si oporów ruchu odniesionà do kó pojazdu. Pojazdy z silnikami elektrycznymi stanowià nowe wyzwania dla konstruktorów uk adów nap dowych, jednak e trudnoêci w magazynowaniu energii wykluczajà stosowanie wy àcznie nap du elektrycznego. Nap d hybrydowy jest kompromisem mi dzy konwencjonalnà jednostkà spalinowà a elektrycznym silnikiem proekologicznym. Sposób pracy uk adu hybrydowego jest z o ony i niezwykle trudny w realizacji praktycznej (po àczenie nap dów o ró nych charakterystykach kinematycznych i dynamicznych, trudna integracja konstrukcyjna tych jednostek nap dowych, sposób przeniesienia nap du itd.). Dodatkowo, algorytm sterowania takim pojazdem musi uwzgl dniaç nie tylko aspekty wzajemnego prze àczania obu jednostek oraz odpowiednie warunki dynamiczne, ale równie rozwiàzywaç problemy zwiàzane z regulacjà i stabilnoêcià pracy obu nap dów. Wskazane jest uwzgl dnienie rozdzia u mocy mi dzy elementami nap dowymi i je eli to mo liwe korzystanie z rekuperacji energii kinetycznej w trakcie hamowania. Przedstawione na rys. 1a oraz na rys. 1b wykresy parametrów silników spalinowego i elektrycznego majà ró ne charakterystyki pr dkoêciowe. Silnik spalinowy stosowany w wi kszoêci pojazdów ko owych pracuje przy pr dkoêciach obrotowych wynoszàcych 1000 6500 obr/min, przy czym wartoêç maksymalna momentu wyst puje zazwyczaj przy pr dkoêci ok. 3500 obr/min (dla jednostki turbodo adowanej zakres maksymalnego momentu jest znacznie wi kszy i wynosi ok. 1700 4500 obr/min). Z kolei silnik elektryczny asynchroniczny pracuje najkorzystniej w warunkach pracy ustalonej, czyli gdy pr dkoêç obrotowa silnika zawiera si mi dzy poêlizgiem krytycznym (obcià enie maksymalne) a poêlizgiem równym zeru (brak obcià enia praca synchroniczna; teoretycznie w takim przypadku silnik asynchroniczny nie wytwarza momentu nap dowego). Porównujàc wykresy charakterystyk silników nap dowych (rys. 1a i 1b), zauwa yç mo na ró nice w wartoêci momentu nap dowego uzyskiwanego przy ró nej pr dkoêci obrotowej silnika. Podstawowym problemem, jaki powinien zostaç rozwiàzany, jest sposób, w jaki mo liwe jest po àczenie mechaniczne oraz wzajemna wspó praca obu tych jednostek. Odpowiedê nie jest jednoznaczna, gdy istnieje wiele problemów zwiàzanych z po àczeniem silnika elektrycznego i spalinowego, np. sposób prze àczania danej jednostki nap dowej. Mo na przyjàç prze àczanie przy sta ym momencie (tzw. sterowanie momentowe), jednak e wytworzony moment przez silnik nieobcià ony lub obcià ony tylko cz Êciowo jest znacznie mniejszy od tego, który podawany jest przez producenta danego silnika i pokazany na rys. 1. Wykres takiego momentu (rys. 1b) sporzàdzany jest na hamowniach w oêrodkach badawczych (wykresy sporzàdzane na hamowniach tworzone sà w odpowiednich warunkach oraz przy maksymalnym obcià- eniu jednostki nap dowej). Dlatego podawane przez producentów silników charakterystyki pr dkoêciowe przedstawiajà maksymalny mo liwy do uzyskania moment nap dowy oraz maksymalnà moc przy danej wartoêci pr dkoêci obrotowej silnika. Dysponujàc odpowiednim momentem nap dowym na ko ach pojazdu, pochodzàcym z jednego z silników (np. silnik spalinowy), konieczne jest wytworzenie na drugim silniku (np. silnik elektryczny) momentu nap dowego o identycznej wartoêci. Niewàtpliwym problemem jest fakt, e majàc nawet bardzo dok adne charakterystyki pr dkoêciowe ka dego z silników trakcyjnych stosowanych w pojazdach ko owych, na których uwzgl dnione zosta y chwilowe obcià enia i sprawnoêci zale ne od pr dkoêci obrotowej, nie mo na uzyskaç odpowiedniego momentu nap dowego dla silnika pracujàcego bez obcià enia na tzw. biegu luzem. Prze àczanie uwzgl dniajàce sterowanie momentem skutkuje nag ym wzrostem zapotrzebowania na moment nap dowy pochodzàcy od si ruchu wyst pujàcych na ko ach pojazdu (rys. 1). Dlatego lepszym sterowaniem jest sterowanie pr dkoêciowe. W przypadku tego typu sterowania wytworzony na wale nap dowym moment pochodzàcy od jednego z silników lub sumy obu silników nie jest rozpatrywany czy to w uj ciu cz Êciowego obcià enia silnika, czy pod obcià eniem maksymalnym. WielkoÊcià mierzonà i tym samym odpowiedzialnà za zmian jednostek nap dowych jest pr dkoêç obrotowa n silnika. Zak adajàc warunek stabilizacji pr dkoêci obrotowej silnika nap du (n sp = n el, rys. 1), co jest warunkiem sterowania pr dkoêciowego, mo na na podstawie rys. 1 stwierdziç, e M sp M el. Relacje te zale à od parametrów dynamicznych silników tworzàcych nap d. Dlatego te, ze wzgl du na jakoêç wspó pracy obu modu ów nap dowych uk adu hybrydowego (nap d spalinowy i elektryczny), wybór koncepcji sterowania pr dkoêciowego jest bardziej zasadny, gdy eliminuje skutki gwa townej zmiany pr dkoêci wa u wejêciowego pr dkoêci kàtowej wejêciowej do uk adu przeniesienia nap du, a tym samym zapewnia wi kszy komfort pracy takiego uk adu. Rys. 1. Przyk adowa charakterystyka pr dkoêciowa: a) silnika elektrycznego asynchronicznego, b)silnika spalinowego turbodo adowanego z zap onem iskrowym (ZI) [7, 8]; s poêlizg, s k poêlizg krytyczny, n s maksymalna pr dkoêç obrotowa dla pracy silnikowej, M r moment rozruchowy 31
Pr dkoêç obrotowà silnika w stosunku do pr dkoêci poruszajàcego si pojazdu mo na regulowaç przez ró ne prze o enia w skrzynce przek adniowej, uzyskujàc tym samym ró ne wartoêci pr dkoêci liniowej samochodu oraz si y nap dowej wyst pujàcej na ko ach pojazdu. Je eli w algorytmie sterowania uwzgl dnia si prze o enia wyst pujàce w sumatorze mechanicznym (przek adnia obiegowa), to mo liwe jest sterowanie jednostkami nap dowymi, dla których warunkiem koniecznym jest pr dkoêç pojazdu ko owego. ZnajomoÊç pr dkoêci pojazdu, pr dkoêci obrotowej silników oraz stosunku prze o eƒ w przek adni obiegowej umo liwia prze àczanie pomi dzy jednostkami nap dowymi przy dowolnej pr dkoêci liniowej pojazdu, dla którego warunkiem koniecznym jest identyczna pr dkoêç obrotowa na wyjêciu z przek adni obiegowej. W realizacji praktycznej sterowanie pr dkoêciowe jest najodpowiedniejszym sposobem sterowania jednostek nap dowych w pojeêdzie ko owym. Ogólna koncepcja nap du hybrydowego Obecnie stosowane rozwiàzania konstrukcyjne nap dów hybrydowych to po àczenie jednostek nap dowych w sposób równoleg y lub szeregowy [1]. Pojazdy hybrydowe mo emy podzieliç ze wzgl du na sposób nap dzania pojazdu ko owego przez jednostk elektrycznà. Najprostsze i najmniej rozbudowane jest po àczenie uk adu nap dowego silników trakcyjnych typu low-hybrid [3], w którym praktycznie brak jest typowej jednostki elektrycznej mogàcej nap dzaç pojazd ko owy. Stosuje si tutaj rozwiàzanie rekuperacji energii kinetycznej w trakcie hamowania, która magazynowana jest w ultrakondensatorach. Rozwiàzanie oparte jest na wy àczeniu silnika spalinowego w trakcie postoju, a zmagazynowana w ultrakondensatorach energia s u y do jego ponownego uruchomienia. Hybryda typu high-hybrid [3] jest nap dem, w którym dysponujemy w pe ni elektrycznà jednostkà nap dowà, czyli pojazd high-hybrid mo e byç nap dzany za pomocà silnika spalinowego, elektrycznego lub w warunkach ekstremalnych, wykorzystujàc synergi za poêrednictwem obu jednostek równoczeênie. Pojazdy typu low-hybrid produkowane sà np. przez koncern VAG 4, w którym wszystkie modele Audi od roku 2009 4 VAG Volkswagen Audi Group. zaopatrzone sà w system Start-Go umo liwiajàcy wy àczenie jednostki spalinowej w trakcie postoju pojazdu oraz jej automatyczne za àczenie po naciêni ciu peda u przyspieszenia. Pojazdy high-hybrid to przede wszystkim pojazdy klasy wy szej, jak BMW X6, Lexus LS 600h. Coraz cz Êciej firmy motoryzacyjne produkujà pojazdy high-hybrid w klasie Êredniej. Dobrym przyk adem jest tutaj jeden z pierwszych samochodów hybrydowych Toyota Prius. Przedstawiony nap d hybrydowy zbudowany jest z wykorzystaniem silnika spalinowego z zap onem iskrowym oraz silnika elektrycznego trójfazowego (rys. 2). O wyborze jednostki elektrycznej przesàdzi y nast pujàce aspekty: niewielka masa jednostkowa do uzyskiwanej mocy, du e mo liwoêci sterowania dzi ki pó przewodnikowym falownikom cz stotliwoêci oraz zakres maksymalnej sprawnoêci i momentu praktycznie uzyskiwany od najni szych wartoêci pr dkoêci obrotowych silnika. Za rozdzia mocy i momentu odpowiada mechanizm ró nicowy przek adnia planetarna. Jest ona sumatorem mechanicznym umo liwiajàcym przekazywanie momentu na ko a samochodu z jednego silnika lub z obu silników jednoczeênie, wykorzystujàc zasad synergii mocy i momentu nap dowego. S u y tak e jako przek adnia nap dzajàca generator oraz poêredniczy w odbiorze energii kinetycznej pojazdu w czasie hamowania rekuperacja energii. Zastosowane sprz g o elektromagnetyczne pozwala na wy àczenie danej jednostki z pracy brak przekazywanej mocy i momentu obrotowego. Uwarunkowane to jest w àczaniem i wy àczaniem poszczególnych jednostek nap dowych lub generatora. W chwili zatrzymania pracy danej jednostki sprz g o elektromagnetyczne od àcza niepracujàcy nap d od przek adni planetarnej. W momencie, w którym wymagane jest do adowanie akumulatorów, sprz g o elektromagnetyczne w àcza do pracy rozrusznik/generator, który nap dzany jest za poêrednictwem silnika spalinowego. Odwrotna zasada dzia ania jak przy rozruchu jednostki spalinowej. Sterowanie sprz g em w tym trybie realizuje uk ad sterowania pojazdem hybrydowym, który otrzyma informacj o niskim poziomie na adowania baterii. Przyj to, e podstawowym êród em energii jest silnik spalinowy, jednak e poruszajàc si w terenie zabudowanym (pr dkoêç pojazdu nie przekracza 50 km/h) pojazd nap dzany jest g ównie za poêrednictwem jednostki elektrycznej. Z tego za o enia wynika, e w wi kszoêci przypadków praca silnika spalinowego wykorzystywana jest do nap dzania generatora dostarczajàcego energi silnikowi elektrycznemu oraz zespo owi baterii. Takie za o enie ma na celu zmniejszenie iloêci substancji toksycznych produkowanych przez silnik spalinowy w czasie obrotów nieefektywnych, przez odpowiednià regulacj jego cyklu pracy kontrolowanego uk adem sterowania. Pozwala to na prac jednostki Rys. 2. Ogólna struktura pojazdu hybrydowego 32
spalinowej w zakresie sprawnoêci maksymalnej, uzale nionej od aktualnego obcià enia i poboru pràdu elektrycznego. Istnieje tak e mo liwoêç wspomagania jednostki elektrycznej poprzez silnik spalinowy. Wtórnym êród em energii sà akumulatory, które zosta y podzielone na dwie sekcje (istnieje mo liwoêç wykorzystania jednej sekcji akumulatorów oraz odpowiednich przekszta tników DC/DC oraz AC/DC i DC/AC). Sekcja pierwsza (niskonapi ciowa) odpowiada za uruchomienie silnika spalinowego oraz za dostarczanie potrzebnej energii do urzàdzeƒ wyposa enia elektrycznego pojazdu ko owego, do których zalicza si : oêwietlenie, obs ug przekaêników, zasilanie radioodbiornika itp. Sekcja druga (wysokonapi ciowa) oddaje zmagazynowanà energi tylko i wy àcznie maszynie elektrycznej oraz sprz g om elektromechanicznym. Rozwiàzanie takie zapewnia dostatecznà wydajnoêç pràdowà dla ka dego elementu wykonawczego o w miar sta ym napi ciu. Do komunikacji pomi dzy poszczególnymi jednostkami sterujàcymi wykorzystano magistral CAN2.0A. G ównym powodem, który przesàdzi o wyborze tego typu magistrali, jest determinizm czasowy oraz bardzo wysoka niezawodnoêç. Stosowanie magistrali CAN wià e si tak e z szerokimi mo liwoêciami konfiguracyjnymi oraz czujnikami i aktuatorami wspierajàcymi magistral CAN. Nale y zaznaczyç, e dost pne czujniki oraz aktuatory mogà zostaç bezpoêrednio po àczone (poprzez magistral CAN) z uk adem sterowania lub muszà zostaç pod- àczone do odpowiedniego uk adu sterujàco-nadzorujàcego, w którym sygna zostanie przetworzony, a nast pnie przes any za poêrednictwem magistrali CAN [5]. Takie rozwiàzania w czujnikach nazywajà si poziomami integracji czujników (rys. 3). W wielu oêrodkach badawczych prowadzi si aktualnie prace nad rozwojem nap dów hybrydowych i ich zastosowaniem w ró nego typu pojazdach z nap dem spalinowym (pojazdy samochodowe, wózki wid owe itp.). W Instytucie Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania Politechniki Âlàskiej podj to prac nad opracowaniem koncepcji uk adu sterujàcego nap dem hybrydowym zbudowanym z silnika spalinowego z zap onem iskrowym ZI oraz silnika elektrycznego asynchronicznego. Zaproponowany uk ad nap du pokazano na rys. 2. Schemat ten przedstawia ogólnà koncepcj nap du hybrydowego z uwagi na sterowanie poszczególnymi jednostkami nap dowymi. Uk ad sterowania pe ni nadrz dnà rol w ca ym systemie sterowania nap dem hybrydowym. Kontroluje prac poszczególnych jednostek nap dowych oraz w àcza lub wy àcza danà jednostk z pracy za pomocà sprz g a elektromagnetycznego. Nap ywajàce na bie àco informacje o pr dkoêci obrotowej kó lub pr dkoêci liniowej poruszajàcego si samochodu umo liwiajà uk adowi sterowania precyzyjne regulacje poszczególnych jednostek nap dowych. Uk ad sterowania kontroluje tak e prac jednostki elektrycznej jako prac silnikowà lub pràdnicowà. Umo liwia to stosowanie do adowania akumulatorów przez rekuperacj energii z wykorzystaniem silnika elektrycznego jako alternatora. Zastosowanie rozproszonego uk adu sterowania (np. sterownik silnika elektrycznego, sterownik silnika spalinowego oraz coraz cz Êciej spotykany sterownik baterii akumulatorowej) wià e si z doborem odpowiedniego po àczenia komunikacyjnego. W wi kszoêci przypadków typowym po àczeniem komunikacyjnym stosowanym w pojazdach ko owych jest magistrala CAN, która dzi ki swojej bardzo du ej niezawodnoêci oraz determinizmowi pracy pozwala na szybkie i bezkonfliktowe przekazywanie informacji pomi dzy poszczególnymi uk adami sterowania. Stosowanie magistrali CAN zwiàzane jest tak e z doborem odpowiednich elementów pomiarowych i wykonawczych czujników i aktuatorów, najlepiej wyposa onych w obs ug standardu CAN, co znacznie upraszcza budow sieci informacyjnej (rys. 3). G ównym zadaniem sieci CAN w przyj tym za o eniu uk adu sterowania pojazdem ko owym jest diagnostyka elementów i podzespo ów wykonawczych nap du. Czujniki kontrolujà na bie àco stan pracy poszczególnych elementów uk adu nap dowego, poczàwszy od wychylenia peda u przyêpieszenia poprzez odczyty pr dkoêci obrotowych wa ów nap dowych oraz doboru prze o enia w automatycznej skrzynce przek adniowej lub przek adni bezstopniowej CVT 5, a skoƒczywszy na pomiarach chwilowego obcià enia (zapotrzebowania na moc i moment nap dowy) oraz pr dkoêci maksymalnej pojazdu. Stosowanie czujników pozwala na bie àco kontrolowaç stany jednostek nap dowych (np. pr dkoêci obrotowe, temperatur pracy), jak równie pobór energii elektrycznej z akumulatorów do aktualnego zapotrzebowania przez silnik elektryczny. Uk ad sterowania nap dem hybrydowym Schemat strukturalny rozwiàzania sterowaniem pojazdu hybrydowego pokazano na rys. 4. Kierowca pojazdu hybrydowego reguluje po o eniem kàta wychylenia peda ów przyspieszenia i hamowania. Dane wychylenie jest analizowane przez uk ad sterowania. Wychylenie peda u przyspieszenia skutkuje zwi kszeniem pr dkoêci poruszanego pojazdu. Uk ad sterowania otrzymuje informacj o wartoêci wychylenia peda u przyêpieszenia oraz informacje o wartoêci pr dkoêci kàtowych poszczególnych jednostek nap dowych oraz pr dkoêci pojazdu. Z danych tych uk ad sterowania dobiera optymalne parametry nastaw dla jednostek nap dowych. Je eli w algorytmie sterowania ruszanie pojazdu odbywa si za poêrednictwem jednostki elektrycznej, uk ad sterowania nie w àcza jednostki spalinowej, a sprz g o elektromagnetyczne od àcza silnik spalinowy od przek adni ró nicowej. Przy jeêdzie ze sta à pr dkoêcià liniowà, w przypadku nag ego zwi ksze- 5 CVT continuously variable transmission, czyli przek adnia o prze o eniu zmiennym w sposób ciàg y. Rys. 3. Czujnik wyposa ony w obs ug standardu CAN [10, 11]; OW obróbka wst pna sygna u (analogowa), A/D przetwornik analogowo-cyfrowy, mc mikroprocesor, mikrokontroler 33
Rys. 4. Koncepcja rozwiàzania schemat strukturalny nia kàta wychylenia peda u przyspieszenia przez kierowc uk ad sterowania w àcza do pracy jednostk wspomagajàcà. Wa ne jest, aby jednostka wspomagajàca osiàgn a pr dkoêç obrotowà równà pr dkoêci obrotowej jednostki nap dzajàcej pojazd. W chwili zmniejszenia kàta wychylenia peda u przyspieszenia uk ad od àcza nap d wspomagajàcy od przek adni. W przypadku sterowania hamowaniem uk ad sterowania odczytuje wartoêci wychylenia peda u hamulca oraz przekazuje informacje jednostce sterowania silnikiem elektrycznym o przejêciu w stan pràdnicowy rekuperacja energii. Ka da jednostka nap dowa wyposa ona jest w swój uk ad sterowania, dzi ki któremu za poêrednictwem magistrali CAN mo e wysy aç i odbieraç komunikaty sterujàce uk adem nap dowym. Uk ad g ówny jednostki sterowania US_0 zbiera na bie àco informacje z uk adów sterowania poszczególnymi jednostkami nap dowymi US_1 i US_3 oraz uk adu sterowania zespo em baterii US_2 i czujników wyposa enia pojazdu ko owego. Podstawowym zadaniem jednostki g ównej US_0 jest efektywne sterowanie przekazywanà mocà i momentem pochodzàcym z jednego silnika lub sumy mocy i momentu z obu silników trakcyjnych nap dzajàcych pojazd. Przyj te za o enia uk adu sterowania hybrydà nap dów obejmujà: sieç (standard CAN) do komunikacji zosta a wykorzystana magistrala CAN 2.0A, struktur sterowników (zadania) kontrolujà i sterujà pracà ka dej jednostki nap dowej, 34
stanowisko kierowcy kierowca nie ma wp ywu na warunki prze àczania pomi dzy poszczególnymi jednostkami nap dowymi, uzale nione jest to od przyj tego algorytmu sterowania (rys. 5). Zadaniem kierowcy jest kierowanie pojazdem, a ewentualne pomiary wychyleƒ peda ów przyspieszenia i hamowania sà analizowane przez uk ad sterowania, parametry sieci sieç komunikacyjna wyposa ona jest w 11-bitowà ramk informacji danych, która zosta a podzielona na sieç bezpieczeƒstwa i trakcji (dla której transfer danych wynosi 250 kb/s 1 Mb/s), oraz sieç komfortu uwzgl dniajàca sterowanie np. klimatyzacjà, zamkiem centralnym, opuszczaniem szyb (transfer do 40 kb/s), rekuperacj energii algorytm sterowania pozwala na odzysk energii kinetycznej pojazdu w trakcie jego hamowania. Zwiàzane jest to z wieloma warunkami, które muszà zostaç spe nione, np. jednostka elektryczna jest nap dzana od kó pojazdu, generujàc pràd elektryczny, hamulce oraz silnik spalinowy w trakcie hamowania odzyskowego sà od àczone, p tle regulacyjne stosowane w celu zapewnienia sprz enia zwrotnego (nastaw aktuatorów) dla prawid owej pracy ca ego uk adu nap dowego. Przedstawiony ogólny algorytm sterowania uwzgl dnia prac pojazdu hybrydowego przy wykorzystaniu obu silników nap dowych oraz silnika elektrycznego w trakcie rekuperacji energii kinetycznej. Niewàtpliwym problemem w algorytmie sterowania jest sposób prze àczania jednostek nap dowych, ze spalinowej na elektrycznà i odwrotnie. W rozpatrywanym przyk adzie pos u ono si sterowaniem pr dkoêciowym, dla którego cechà charakterystycznà jest dana pr dkoêç, przy której nast puje prze- àczenie pomi dzy jednostkami nap dowymi. Znajàc ogólnà charakterystyk jednostki spalinowej (rys. 1b), mo emy w taki sposób sterowaç pracà silnika, aby zawsze pracowa przy optymalnej sprawnoêci. Wykorzystujàc te dane, mo emy regulowaç silnikiem spalinowym, w zale noêci od zapotrzebowania na moc przy uwzgl dnieniu jego pr dkoêci obrotowej. Nale y tak e uwzgl dniç odpowiednie sterowanie dla silników elektrycznych, które przy wykorzystaniu przemienników cz stotliwoêci mo e odbywaç si w dwojaki sposób [2, 8]: sterowanie si owe polega na sterowaniu wektorem si y. Praktycznie sterowanie momentowe nie jest trudne w realizacji. Najcz Êciej w obwodzie silnika umieszcza si dodatkowy czujnik, np. rezystor o ma ej rezystancji. Napi cie mierzone na rezystorze jest wprost proporcjonalne do pràdu p ynàcego w uzwojeniu silnika. WielkoÊç pràdu p ynàcego w uzwojeniu silnika ma wp yw na rozwijany moment obrotowy, na wale silnika nap dzajàcego. Sygna z rezystora zamyka p tl sprz enia zwrotnego uk adu regulacji typu P, który stabilizuje wartoêç si y zadanej, sterowanie pr dkoêciowe najcz Êciej spotykane rozwiàzanie w przemyêle, poniewa jest ono najbardziej naturalnym sposobem sterowania silnikiem elektrycznym. Polega na regulowaniu wartoêci napi cia zasilajàcego maszyn elektrycznà. Przyj ty w koncepcji uk ad sterowania uwzgl dnia prac êród a energii: akumulatora i superkondensatorów, które w ka dym przypadku powinno wykazywaç pe nà zdolnoêç do pokrycia ekstremalnych obcià eƒ podczas przyêpieszania. Wnioski Nap dy hybrydowe, choç pod wieloma wzgl dami nie sà rozwiàzaniem idealnym (zwi kszenie ca kowitej masy pojazdu ko owego, z o one algorytmy sterowania jednostkami nap dowymi oraz rekuperacjà energii itp.) cieszà si bardzo du à popularnoêcià, na co wp ywa ciàg y wzrost cen paliwa oraz zamiar wprowadzenia przepisów okreêlajàcych dopuszczalne normy spalin pojazdów ko owych. Rys. 5. Ogólny algorytm sterowania 35
Zaprezentowana w pracy koncepcja przedstawia rozwiàzanie sterowania uk adem nap dowym stosowanym w pojazdach hybrydowych. Uwzgl dniajàc w przedstawionym algorytmie sterowania etap ruszania pojazdu wy àcznie przy wykorzystaniu silnika elektrycznego oraz uniemo liwiajàc prac silnika spalinowego w zakresie ma o optymalnej pr dkoêci obrotowej, mo na zredukowaç znaczàco emisj toksycznych spalin, w szczególnoêci w aglomeracjach miejskich. Przedstawiony algorytm sterowania ma du e znaczenie dla poprawnej pracy uk adu nap dowego pojazdu hybrydowego. Wzajemna wspó praca jednostek nap dowych stosowanych w pojeêdzie ko owym powinna uwzgl dniaç prac ekonomicznà oraz ekologicznà z uwzgl dnieniem synergii mocy. Dlatego konieczne jest precyzyjne sterowanie ka dà jednostkà nap dowà z uwzgl dnieniem ró nych warunków drogowych, dla których algorytm sterowania powinien byç odpowiednio przygotowany. Konieczne jest poprawne okreêlenie warunków pracy poszczególnych jednostek nap dowych, dla których silnik spalinowy powinien pracowaç jako nap d trakcyjny pojazdu oraz jako êród o nap du generatora, z kolei silnik elektryczny, ze wzgl du na dogodnà charakterystyk momentu przy niskich pr dkoêciach obrotowych, powinien nap dzaç pojazd g ównie w aglomeracjach miejskich. Bioràc pod uwag tak e sposób sterowania silnika elektrycznego, nale a oby równie rozwa yç dobór odpowiedniego przemiennika cz stotliwoêci. Najlepszym rozwiàzaniem wydaje si byç falownik napi cia PWM, dla którego charakterystyka pràdowa zbli ona jest do sinusoidalnej. Falowniki PWM cechujà si tak e mo liwoêcià zmian cz stotliwoêci pracy. Dla wysokich cz stotliwoêci ok. 50 khz charakterystyka pràdowa jest bliska sinusoidzie, jednak e spada nieznacznie sprawnoêç falownika troch wi ksza temperatura pracy wzmacniaczy tyrystorowych. Z kolei zmniejszajàc cz stotliwoêç próbkowania, zwi ksza si sprawnoêç, jednak e uwarunkowane to jest gorszymi parametrami regulacyjnymi mniejszà wartoêcià g stoêci upakowania pràdu. Dalsze prace zwiàzane z jednostkà hybrydowà powinny uwzgl dniaç: ciàg e udoskonalanie jednostki spalinowej oraz mo liwoêç pracy silnika spalinowego umo liwiajàcego rozdzia mocy i momentu dla nap du pojazdu oraz generatora, stosowanie przek adni bezstopniowych CVT, w miar mo liwoêci, jak najcz stszà prac silnika elektrycznego, wykorzystanie bardziej wydajnych baterii akumulatorowych oraz superkondensatorów. LITERATURA 1. Micha owski K., Ocioszyƒski J.: Pojazdy samochodowe o nap dzie elektrycznym i hybrydowym. WKi, Warszawa 1989. 2. Larminie J., Lowry J.: Electric vehicle technology explained. John Wiley & Sons, England 2003. 3. Merkisz J., Pielecha I.: Alternatywne nap dy pojazdów. WNT, Warszawa 2006. 4. Jastrz bska G.: Odnawialne êród a energii i pojazdy proekologiczne. WNT, Warszawa 2007. 5. Arczyƒski S.: Mechanika ruchu samochodu. WNT, Warszawa 1993. 6. Prochowski L.: Mechanika ruchu. WKi, Warszawa 2005. 7. Luft S.: Podstawy budowy silników. WKi, Warszawa 2006. 8. Danfoss: Facts worth knowing about frequency converters. Danfoss, England 1991. 9. Lawrenz W.: CAN System Engineering. Springer, Germany 1997. 10. Bosch: Sterowanie silników o zap onie samoczynnym. WKi, Warszawa 2004. 11. Bosch: Sterowanie silników o zap onie iskrowym. WKi, Warszawa 2002. 36