PAWELSKI Zbigniew 1 MACIEJCZYK Andrzej 2

PAWELSKI Zbigniew 1 MACIEJCZYK Andrzej 2 Symulacja pracy układu napędowego autobusu miejskiego o napędzie elektrycznym w oparciu o model numeryczny. Koncepcja zarządzania energią pobieraną z dwóch źródeł WSTĘP Prototyp autobusu miejskiego wraz z kompletnym układem napędowym jest wynikiem działań konsorcjum: firmy AMZ Kutno i Katedry Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn Politechniki Łódzkiej. Zgodnie z przyjętymi założeniami pojazd wyposażono w elektryczny układ napędowy. W skład zespołu napędowego, wchodzą silnik elektryczny wraz z osprzętem sterującym i oprogramowaniem oraz zespół akumulatorów i super kondensatorów. Jego schemat blokowy przedstawiono na rysunku 1. Rys.1. Schemat struktury napędu prototypowego w autobusie miejskim W prezentowanym układzie silnik i przekształtnik energoelektroniczny tworzą kompletny zestaw. System mikroprocesorowy steruje układem przekształtnika energoelektronicznego na podstawie pomiaru prądu pobieranego przez poszczególne fazy silnika oraz na podstawie położenia wirnika względem stojana. Ponadto system mikroprocesorowy steruje ilością energii w akumulatorach i superkondensatorach w zależności od chwilowego zapotrzebowania na energię kinetyczną pojazdu, co oznacza, że podczas hamowania pojazdu lub zjazdu ze wzniesienia możliwa jest rekuperacja (odzysk) energii. Utrzymanie zadanego napięcia wyjściowego oraz właściwy podział energii dokonywany jest przez wyznaczenie odpowiedniej wartości prądów w poszczególnych źródłach. Zarządzanie tym złożonym z akumulatorów i superkondensatorów źródłem zasilania, polega na pokryciu z akumulatorów zapotrzebowania na energię w stanach ustalonych, natomiast w stanach dynamicznych akumulatory wspierane są przez superkondensatory. Stan ustalony to utrzymanie ruchu - jazda ze stałą prędkością. Do stanów dynamicznych zalicza się hamowanie pojazdu oraz ruszanie z miejsca. W przypadku hamowania występuje konieczność przyjęcia dużej ilości energii w krótkim czasie. Energia 1 Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, Politechnika Łódzka 2 Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, Politechnika Łódzka 8445

ta zostaje skierowana przede wszystkim do będących w stanie ją przyjąć superkondensatorów, które jednocześnie chronią akumulatory przed szkodliwym dla ich trwałości ładowaniem dużym prądem. W czasie ruszania pojazdu z miejsca niezbędna do tego celu energia jest pobierana, w pierwszej kolejności z superkondensatorów, dalej z akumulatorów. Z uwagi na trwałość akumulatorów niezwykle istotne jest utrzymanie ich stopnia naładowania w granicach 20% 80%. Wykaz obszarów naładowania akumulatorów za [1] przedstawia rysunek 2. Rys.2. Wykaz dopuszczalnych i granicznych obszarów stanu naładowania akumulatora [1] W przypadku superkondensatorów nie istnieje zagrożenie szybkiej utraty trwałości, spowodowanej zbyt głębokim wyładowaniem. Jedynym ograniczeniem są maksymalne wartości napięcia i prądu. Przy zmniejszającym się napięciu na zaciskach superkondensatorów musi wzrastać wartość prądu. Najczęściej przyjmuje się zakres napięciowy pracy superkondensatorów k kon = 0.33 1U zn [1]. 1 CYFROWY MODEL UKŁADU NAPĘDOWEGO Do odwzorowania pracy elementów składowych hybrydowego układu napędowego zastosowano modele matematyczne zasobników energii elektrycznej: akumulatora i superkondensatora oraz silnika elektrycznego i układu sterowania. Modele elementów składowych układu napędowego dostosowano do symulacji przejazdu z zadanym cyklem prędkości metodą quasi-statyczną, której zaletą jest szybkość obliczeń i łatwość porównywania kilku wariantów układu napędowego. Przyjęty model zespołu napędu elektrycznego składa się z czterech bloków. Jego schemat przedstawia rysunek 3. Pierwszy z bloków służy do zadawania cykli jazdy. Wyróżniono cztery cykle jazdy, którym odpowiada piktogram na oznaczeniu bloku cykl jazdy : rozpędzanie, jazda ustabilizowana, hamowanie i postój. Sygnał wyjściowy z tego bloku jest podawany na blok silnika zintegrowanego z układem sterującym (blok silnika wraz z blokiem układu sterującego na rysunku 3 oznaczono silnik+buck/boost ). Układ sterujący odpowiada za sterowanie silnikiem oraz blokami źródeł energii: akumulatora i superkondensatora. Dodatkowo do bloku akumulatora doprowadzono sygnał sterujący rodzajem charakterystyki rozładowywania w zależności od temperatury. 8446

Rys.3. Schemat blokowy modelu napędu elektrycznego 1.1 Przyjęte założenia i uproszczenia Podczas opracowywania modelu numerycznego układu napędowego przyjęto następujące założenia i uproszczenia: rezystancja wewnętrzna jest stała podczas cykli: ładowania i rozładowywania, parametry modelu są wyprowadzone z charakterystyki rozładowania i zakłada się, że są takie same przy ładowaniu, pojemność baterii nie zmienia się wraz z amplitudą prądu (brak efektu Peukerta [3]), nie uwzględniono samorozładowania akumulatora, bateria akumulatorów nie posiada efektu pamięci. 1.2 Zintegrowany blok silnika wraz z blokiem sterującym 1.2.1 Blok sterujący Rys. 4. Podbloki bloku sterującego (fragment schematu zintegrowanego bloku silnika wraz z blokiem sterującym) 8447

Fragment schematu bloku sterującego przedstawia rysunek 4. Widoczne są podbloki odpowiedzialne za kolejne cykle ruchu: proces rozpędzania wraz z jazdą ustaloną, hamowania oraz postoju. Z każdego podbloku wyprowadzone są sygnały określające w zależności od bieżącego cyklu jazdy, jaki prąd należy pobrać z akumulatora (I-ak) i superkondensatora (I-kond). 1.2.2 Blok silnika Do napędu autobusu zastosowano silnik synchroniczny z magnesami trwałymi. Przyjęty model takiego silnika, przedstawiony na rysunku 5 [5], rozpatrywano w układzie współrzędnych d-q przy następujących założeniach: maszyna trójfazowa jest o budowie symetrycznej, wypadkowy moment obrotowy jest równoważny momentowi synchronicznemu, wytworzonemu przez maszynę, pochodne prądu odniesione do magnesów trwałych są równe zero, kształt prądów i napięć w szczelinie powietrznej jest idealnie sinusoidalny. Rys.5. Schemat maszyny synchronicznej PM [5] Z punktu widzenia bilansu energetycznego napędu powyższy model silnika synchronicznego PM jest wystarczającym przybliżeniem do badań z rzeczywistym układem napędowym. W trakcie budowy modelu numerycznego układu napędowego pracę maszyny elektrycznej analizowano łącznie z układem sterowania kształtującym jej charakterystyki trakcyjne. 1.3 Blok akumulatora Podstawowym parametrem akumulatora jest pojemność nominalna Q aku, która jest miarą zgromadzonej w nim energii, możliwej do pobrania przy ustalonym prądzie I aku w czasie rozładowania t, w warunkach ustalonej temperatury aż do osiągnięcia minimalnego napięcia na zaciskach: Q aku = I aku t (1) Model akumulatora powinien umożliwić wyznaczenie napięcia U aku, stanu naładowania SOC w funkcji prądu obciążenia I aku oraz temperatury. Postać ogólną modelu przedstawiono za [2] na rysunku 6. 8448

Rys.6. Model akumulatora Zgodnie z przyjętym modelem blok akumulatora zawiera moduł wyznaczania poziomu naładowania SOC (rysunek 7). Moduł ten kontroluje napięcie akumulatora, wartości prądu pobieranego dla danego cyklu pracy oraz prądu ładowania. Proces rozładowywania akumulatora poboru ładunku elektrycznego przebiega w różny sposób, w zależności od temperatury otoczenia. Z tego powodu wprowadzono dodatkowe moduły (widoczne w środkowej części rysunku 7) z zapisanymi charakterystykami empirycznymi rozładowania dla określonych wartości temperatur. Rozładowywanie akumulatora następuje w danej chwili zgodnie z określoną charakterystyką odpowiadającą bieżącej temperaturze. Rys. 7. Fragment schematu bloku akumulatora wraz z modułem wyznaczania poziomu naładowania SOC oraz modułami charakterystyk rozładowania Na wyjściu układu logicznego pojawia się wartość napięcia, która przekazywana jest do bloku sterującego (patrz rysunek 3). 1.4 Blok kondensatora Pojemność C superkondensatora nie jest wartością stałą, stąd opisana została za [4] jako zmienna w funkcji napięcia: C( u( t)) C0 kk U( t) (2) gdzie: C 0 pojemność przy napięciu równym 0 V, k k współczynnik pojemności w funkcji napięcia, U napięcie. Współczynnik k k określający stopień naładowania superkondensatora określono wyrażeniem: 4 2 C0 kk U U 3 kk [4] (3) 4 2 C0 kk U max U max 3 8449

Schemat logiczny bloku superkondensatora przedstawiono na rysunku 8. Podobnie jak w przypadku bloku akumulatora sygnał wyjściowy z superkondensatora przekazywany jest do bloku sterującego. Rys. 8. Blok superkondensatora 1.5 Symulacja cykli jazdy przy użyciu modelu numerycznego Przeprowadzono symulację wszystkich uwzględnionych w modelu cykli jazdy w następującej kolejności: ruszanie z miejsca i przyspieszanie, jazda ustalona, hamowanie, postój. Wyniki przedstawiono w formie wykresów na rysunku 9. Rys. 9. Symulacja cyklu jazdy Pierwszy z wykresów zawiera zależność prędkości obrotowej silnika w czasie, dla kolejno zadanych cykli. Krzywe w kolorze fioletowym i żółtym oznaczają odpowiednio prędkości obrotowe zadane dla cyklu i wykonane przez układ. Drugi z wykresów przedstawia krzywe poboru prądu w czasie trwania kolejnych cykli z akumulatora I-ak(kolor żółty) oraz superkondensatora I-kond (kolor fioletowy). Na trzecim wykresie naniesiono zmiany napięcia na akumulatorze U-aku (kolor żółty) oraz superkondensatorze U-kond (kolor fioletowy). Przed rozpoczęciem symulacji zadano napięcie, równe dla obu źródeł energii. 8450

1.5.1 Ruszanie i przyspieszanie Prąd pobierany jest w pierwszej kolejności z superkondensatora i szybko rośnie aż do całkowitego rozładowaniu superkondensatora(wartość natężenia prądu I-kond spada do zera, napięcie U-kond spada do określonej wartości). W tym czasie z akumulatora prąd nie jest pobierany. Po rozładowaniu superkondensatorarozpoczyna się pobór prądu z akumulatora (wartość natężenia prądu I-ak rośnie - pojazd jeszcze przyspiesza; wskutek poboru prądu następuje nieznaczny spadek napięcia U-ak). 1.5.2 Stan jazdy ustalonej Po zakończeniu przyspieszania natężenie prądu z akumulatora I-ak gwałtownie spada i w czasie jazdy ustalonej utrzymuje się na stałym poziomie. Natężenie prądu superkondensatora I-kond = 0 (superkondensator został rozładowany podczas przyspieszania). 1.5.3 Hamowanie Prąd z akumulatora nie jest pobierany. Następuje intensywne ładowanie suprkondensatora (natężenie prądu I-kond przyjęło wartości ujemne). Rośnie napięcie superkondensatora U-kond. Superkondensator nie zostaje całkowicie naładowany. 1.5.4 Postój Rozpoczyna się pobór prądu z akumulatora w celu doładowania superkondensatora do określonego poziomu. Następuje wyrównanie napięć akumulatora i superkondensatora. Model jest gotowy do wykonania kolejnej symulacji cykli pracy. WNIOSKI Przedstawiony model cyfrowy, pomimo zastosowanych uproszczeń, w sposób prawidłowy odzwierciedla rzeczywisty układ napędu elektrycznego autobusu miejskiego. Wykonana symulacja jest spójna z przyjętą koncepcją zarządzania energią pobieraną z dwóch źródeł. Model numeryczny pozwala na dowolne zmiany parametrów w celu realizacji innych scenariuszy poboru energii. Streszczenie W artykule przedstawiono układ napędowy miejskiego autobusu z napędem elektrycznym. Konstrukcja prototypu autobusu jest wynikiem projektu badawczego zrealizowanego przez konsorcjum, w skład którego wchodzą AMZ Kutno i Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn Politechniki Łódzkiej. Przyjęta koncepcja układu zakłada dostarczanie energii elektrycznej niezbędnej do ruchu pojazdu z dwóch źródeł: akumulatorów i superkondensatorów.za zarządzanie i dystrybucję energii zgodnie z założonymi cyklami ruchu odpowiada złożony układ sterujący. Do badań układu zasilania opracowano model numeryczny, którego założenia i opis przedstawiono w niniejszej publikacji. W oparciu o model cyfrowy dokonano symulacji pracy układu zasilania, zgodnie z założonymi cyklami ruchu pojazdu oraz przyjętym modelem dystrybucji energii. Wykazano, że cyfrowy model w sposób prawidłowy odzwierciedla rzeczywisty układ napędu elektrycznego autobusu miejskiego. Otrzymane wyniki symulacji zaprezentowane zostały w formie graficznej. Simulation of the city bus powertrain with electric drive based on numerical model. The concept of energy management drawn from two sources Abstract The article presents a city bus powertrain with electric drive. The design of the prototype bus is the result of a research project carried out by a consortium composed of AMZ Kutno and Department of Vehicles and Fundamentals of Mechanical Engineering of Technical University of Lodz. The approach adopted assumes the supply of electricity necessary for the movement of the vehicle from two sources: batteries and supercapacitors. For the management and distribution of energy according to the work cycle is responsible a complex control system. To test the powertrain was build the numerical model which assumptions and description was 8451

presented in this publication. Based on the digital model was done the simulation of supply system was done, according to the work cycle of the vehicle and adopted energy distribution model. It has been shown that the digital model correctly reflects the actual layout of city bus electric drive. The obtained simulation results was presented in graphical form. BIBLIOGRAFIA 1. Fice M.., Strategia zarządzania rozpływem mocy w napędzie hybrydowym o strukturze równoległej. Maszyny Elektryczne, 2011, nr.90, s.111-116. 2. Krasucki J., Rostowski A.: Projektowanie hybrydowych, elektro-hydraulicznych układów napędowych. Radom 2010. 3. Quinn Horn., Peukert Efficient, Inc. Medical Device & Manufacturing (MD&M) West, Anaheim, CA, 15 February 2012. 4. Setlak R., Fice M.., Modelowanie zasobników energii elektrycznej dla pojazdów elektrycznych i hybrydowych. Maszyny elektryczne, 2011, nr. 90, s.145 150 5. Zawirski K., Deskur J., Kaczmarek T., Automatyka napędu elektrycznego. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2012. 8452