UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Določitev strategije uporabe elektromotorja v hibridni transmisiji za dosego minimalne porabe
goriva
Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo
Nejc Berden
Ljubljana, februar 2022
UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Določitev strategije uporabe elektromotorja v hibridni transmisiji za dosego minimalne porabe
goriva
Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo
Nejc Berden
Mentor: prof. dr. Jernej Klemenc, univ. dipl. inž.
Somentor: prof. dr. Tomaž Katrašnik, univ. dipl. fiz.
Ljubljana, februar 2022
v
Zahvala
Zahvaljujem se mentorju in somentorju, ki sta s svojo bazo znanja poskrbela za usmeritev na pravo pot pri izdelavi diplomskega dela. Prav ona sta zaslužna, da je diplomsko delo izdelano na tej ravni.
Iskreno se zahvaljujem staršem, ki so mi v času študija stali ob strani. Hvala tudi vsem, ki so kakorkoli prišli v tem času v moje življenje in pustili svoj pečat. Diplomsko delo je dokaz, da lahko vsak doseže, kar si zamisli.
vi
vii
viii
ix
Izvleček
UDK 629:621.313.13:531.4(043.2) Tek. štev.: VS I/905
Določitev strategije uporabe elektromotorja v hibridni transmisiji za dosego minimalne porabe goriva
Nejc Berden
Ključne besede: strategije ravnanja z energijo hibridna vozila
WLTC vozni upori elektromotorji diagram BSFC
V diplomskem delu smo na podlagi standardiziranega WLTC-cikla vožnje določili strategijo vklopa elektromotorja. Najprej smo izvedli preračun voznih uporov in določili potrebni moment na kolesih. Ker gre za hibridno transmisijo, je bilo treba določiti, kdaj dobimo potrebni moment iz električnega dela transmisije in kdaj iz motorja z notranjim zgorevanjem.
Sprejeta odločitev glede vklopa elektromotorja je bila vezana na pospeške v danem trenutku in gradient momenta na elektromotorju. Na podlagi strategije so bili določeni trije načini vožnje, A, B in C, z različnimi gradienti povečevanja momenta elektromotorja. Na podlagi pedala za plin so bili preračunani potrebni podatki o obratih in na podlagi teh s pomočjo grafa BSFC izračunana trenutna poraba goriva skozi vozni cikel WLTC. S pomočjo analize podatkov o porabi goriva je bila podana primerna rešitev za hibridno transmisijo vozila.
x
xi
Abstract
UDC 629:621.313.13:531.4(043.2) No.: VS I/905
Estimating a strategy for usage of electric motor in a hybrid transmission system for a minimum fuel consumption
Nejc Berden
Key words: Energy management strategy Hybrid vehicle
WLTC
Driving resistance Electric motor BSFC diagram
In this thesis, an electric motor start-up strategy was defined that is based on the standardised WLTC driving cycle. First, the rolling resistances were calculated and the required wheel torque was determined. As the vehicle has a hybrid transmission, it was necessary to determine when to get the required torque from the electric part of the transmission and when from the internal combustion engine. The decision taken to engage the electric motor was linked to the acceleration at a given moment and the torque gradient on the electric motor.
Based on the strategy, three driving modes A, B and C with different gradient levels were determined. The required angular velocity data was calculated based on the accelerator pedal and the instantaneous fuel consumption over the WLTC driving cycle was calculated using the BSFC graph. By comparing the fuel consumption data, a suitable solution for the hybrid transmission of the vehicle was given.
xii
xiii
Kazalo
1 Uvod ... 1
1.1 Ozadje problema ... 1
1.2 Cilji ... 1
2 Teoretične osnove ... 3
2.1 Hibridno vozilo ... 3
2.1.1 Hibridizacija ... 4
2.2 Strategija upravljanja z energijo ... 4
2.3 Cikel WLTC ... 5
2.4 Vozni upori ... 6
2.4.1 Upor strmine ... 6
2.4.2 Kotalni upor ... 7
2.4.3 Upor zraka ... 7
2.4.4 Vpliv masne vztrajnosti vozila ... 8
2.5 Diagram BSFC ... 9
2.6 Določevanje strategije uporabe elektromotorjev in motorja z notranjim zgorevanjem ... 10
3 Metodologija dela ... 11
3.1 Podatki o vozilu ... 11
3.1.1 Karakteristike vozila ... 12
3.2 WLTC ... 13
3.3 Izračun voznih uporov pri vožnji po WLTC ... 15
3.3.1 Kotalni upor ... 15
3.3.2 Upor zraka ... 16
3.3.3 Upor vztrajnostnih mas ... 17
3.4 Izračun momenta iz uporov in podatkov o vozilu ... 19
3.5 Določitev vrste pogona pri vožnji po ciklu WLTC ... 20
3.5.1 Določitev strategije vklopa elektromotorjev na podlagi pospeška in gradienta 22 3.5.2 Način A ... 24
3.5.3 Način B ... 25
xiv
3.5.4 Način C ... 27
3.5.5 Primerjava načinov ... 27
3.6 Določitev momenta na motorju z notranjim zgorevanjem ... 29
3.6.1 Način A ... 29
3.6.2 Način B ... 30
3.6.3 Način C ... 31
3.6.4 Primerjava momentov na motorju z notranjim zgorevanjem v načinih delovanja 32 3.7 Določitev pozicije pedala za plin ... 33
3.8 Izračun obratov motorja ... 35
3.9 Obdelava podatkov iz diagrama BSFC ... 38
3.10 Izračun porabe vozila ... 40
3.11 Določitev porabe električne energije ... 41
4 Diskusija rezultatov ... 43
5 Zaključki ... 45
Literatura ... 47
xv
Kazalo slik
Slika 2.1: Shema hibridnega vozila ... 3
Slika 2.2: Graf WLTC ... 5
Slika 2.3: Upor strmine [3] ... 6
Slika 2.4: Čelna površina vozila [3] ... 8
Slika 2.5: Diagram BSFC [2] ... 9
Slika 3.1: Hibridno vozilo Renault Twingo 1.2 16V ... 11
Slika 3.2: Graf WLTC od 0 do 600 s [7] ... 13
Slika 3.3: Graf WLTC od 600 do 1200 s [7] ... 14
Slika 3.4: Graf WLTC od 1200 do 1800 s [7] ... 14
Slika 3.5: Zračni upor ... 16
Slika 3.6: Trenutne prestave pri vožnji vozila po ciklu WLTC ... 17
Slika 3.7: Upor vztrajnostnih mas ... 18
Slika 3.8: Upori na vozilo ... 18
Slika 3.9: Moment na kolesu WLTC ... 19
Slika 3.10: Primerjava momenta na kolesih in motorju z notranjim zgorevanjem ... 21
Slika 3.11: Pospešek vozila skozi celoten cikel ... 22
Slika 3.12: Moment na elektromotorju brez določitve gradienta ... 23
Slika 3.13: Moment na elektromotorjih, način A ... 25
Slika 3.14: Moment na elektromotorjih, način B ... 26
Slika 3.15: Moment na elektromotorjih, način C ... 27
Slika 3.16: Primerjava gradientov na intervalu 0–600 s ... 28
Slika 3.17: Primerjava gradientov na intervalu 600–1200 s... 28
Slika 3.18: Moment na motorju z notranjim zgorevanjem, način A ... 30
Slika 3.19: Moment na motorju z notranjim zgorevanjem, način B ... 30
Slika 3.20: Moment na motorju z notranjim zgorevanjem, način C ... 31
Slika 3.21: Primerjava momentov na motorju 0–600 s ... 32
Slika 3.22: Primerjava momentov na motorju 600–1200 s ... 32
Slika 3.23: Odvisnost pozicije pedala za plin od momenta motorja z notranjim zgorevanjem... 33
Slika 3.24: Položaj pedala za plin, način A ... 34
Slika 3.25: Položaj pedala za plin, način B ... 34
Slika 3.26: Položaj pedala za plin, način C ... 35
Slika 3.27: Odvisnost obratov motorja od pozicije pedala za plin ... 36
Slika 3.28: Obrati motorja, način A ... 36
Slika 3.29: Obrati motorja, način B ... 37
Slika 3.30: Obrati motorja, način C ... 37
Slika 3.31: Diagram BSFC [2] ... 38
Slika 3.32: Graf BSFC z določenimi območji [2] ... 39
Slika 3.33: Karakteristika motorja ... 40
xvi
xvii
Kazalo preglednic
Preglednica 3.1: Karakteristike menjalnega sklopa vozila ... 12 Preglednica 3.2: Podatki za preračun uporov ... 12 Preglednica 3.6: Podatki, potrebni za izračun upora zraka ... 16
xviii
xix
Seznam uporabljenih simbolov
Oznaka Enota Pomen
Hi % stopnja hibridizacije
Rs N sila upora strmine
Rf N kotalni upor
Rz N upor zraka
Ri N upor vztrajnostnih mas
f / koeficient kotalnega upora
FG N sila teže vozila
α ̊ kot
ρ kg/m2 gostota zraka
c / koeficient zračnega upora
A m2 čelna površina vozila
v m/s, km/h hitrost vozila
B m največja širina vozila
H m največja višina vozila
δ / faktor rotacijskih mas
k / faktor, ki velja za osebna vozila (vztrajnostne mase)
i / trenutno
g m/s2 težnostni pospešek
h / izkoristek prestave
M Nm moment
x / pozicija pedala za plin
O rpm obrati motorja
Fv N vlečna sila
r m polmer
Zdej g/kWh točka trenutne porabe goriva BSFC g/kWh trenutna poraba goriva
C l/100 km poraba goriva
Vg l trenutna poraba goriva
E kw, kWh energija
Indeksi
m trenutna prestava
kg kotno gonilo
R vzvratna prestava
st statični
dej dejanski
kolesaWLTC moment na kolesih iz cikla WLTC
ICE motor z notranjim zgorevanjem
EM elektromotor
ICEkolesa moment na kolesih motorja z notranjim zgorevanjem
EMkolesa moment na kolesih elektromotorja
Bat baterijski paket
xx
xxi
Seznam uporabljenih okrajšav
Okrajšava Pomen
BSFC diagram trenutne porabe goriva (angl. Brake specific fuel consumption)
CO2 ogljikov dioksid
EM elektromotor
OBDII diagnostika vozila (angl. On-Board diagnostics)
PMS razmerje med močjo in maso (angl. Power-to-mass ratio)
WLTC vozni cikel vožnje (angl. Worldwide-harmonised Light-vehicle Test Cycle)
xxii
1
1 Uvod
1.1 Ozadje problema
Pri določevanju strategije vklopa elektromotorjev smo se posvetili predvsem določevanju strategije na podlagi podanega voznega cikla, ki služi kot referenca za nadaljnji razvoj diplomskega dela. Vozilo je sposobno premagati vozne upore. Za premagovanje smo uporabljali hibridni sklop motorja z notranjim zgorevanjem in kolesna elektromotorja v zadnjih kolesih. Sprejeti je bilo treba odločitve, v katerih trenutkih se elektromotorja vklopita in dodatno pomagata pri premagovanju voznih uporov. Na podlagi določene strategije je bilo treba dokazati posamezne hipoteze glede porabe vozila. Obravnavano vozilo Renault Twingo je po izvedbi priključni hibrid, po tehničnih lastnostih baterije pa mehki hibrid.
Razlog za to izhaja iz napetosti baterijskega paketa, ki je 51,2 V, in kapacitete 160 Ah.
Vozilo prav tako ni sposobno regulacije regenerativnega zaviranja, kar izhaja iz kontrole regeneracije, ki je omejena na polno zaviranje ali prosti tek elektromotorjev. Celotno diplomsko delo se tako posveča vplivu delovanja elektromotorjev na porabo goriva in ne na določitev optimalne strategije krmiljenja hibridnega vozila.
1.2 Cilji
Vsebina dela zajema določitev strategije uporabe kolesnih elektromotorjev in motorja z notranjim zgorevanjem v ciklu WLTC (angl. Worldwide-harmonised Light-vehicle Test Cycle). Namen diplomskega dela je torej ugotoviti, kakšni bi bili prihranki goriva pri voznem ciklu WLTC, ki določa hitrosti vozila skozi časovni interval.
V diplomskem delu je treba poiskati karakteristiko motorja z notranjim zgorevanjem, nato pa izdelati model za določitev bilance moči hibridnega vozila. Zaradi izvedbe hibridnega vozila je omogočena popolna kontrola dveh kolesnih elektromotorjev in le delna kontrola motorja z notranjim zgorevanjem. Elektromotorja delujeta torej le kot asistenca pogonskemu sistemu z namenom prihranka goriva. S pomočjo modela se na koncu izvede primerjava porabe goriva skozi dani cikel WLTC z uporabo za hibridno različico vozila za različne vozne načine. Predvideno je, da bo v primeru, ko elektromotorja delujeta kot asistenca, prišlo do prihranka goriva.
Teoretične osnove
2
Teoretične osnove
3
2 Teoretične osnove
Vse bolj je v ospredju tematika zmanjševanje porabe in izpustov toplogrednih plinov. Težava je predvsem v avtomobilski industriji, ker pa prehod na nove tehnologije ni tako hiter, se veliko energije vlaga v optimizacijo obstoječih sklopov. Za doseganje optimalnih vrednosti je treba čim bolj poznati vozne dinamike vozila v obdobju uporabe.
2.1 Hibridno vozilo
Hibridno vozilo poganjata najmanj dva vira energije. V našem primeru imamo vozilo Renault Twingo 1.2 16V, v katerega so v zadnjo premo študentje vgradili kolesna elektromotorja z močjo 7,5 kW. Gre za sinhrona motorja s trajnimi magneti. Prav tako je v zadnjem delu vozila v prtljažniku nameščen baterijski sklop, ki poganja elektromotorja.
Kolesna elektromotorja pripomoreta pri speljevanju in nadaljnji varčni vožnji, saj zmanjšata potrebo po pogonu iz motorja z notranjim zgorevanjem.
Slika 2.1: Shema hibridnega vozila
Teoretične osnove
4
Slika 2.1 prikazuje shemo vozila, ki ga bomo v nadaljevanju analizirali. Električni del vozila je v zadnjem delu in motor z notranjim zgorevanjem v sprednjem delu vozila. V tem primeru gre za vzporedno konfiguracijo elektromotorjev. Naš baterijski paket ima kapaciteto 160 Ah in nominalno napetost 51,2 V [4]. Literatura, ki se navezuje na izračune in primerjavo porabe goriva v hibridnih vozilih, predpostavlja, da je stanje napolnjenosti pred vožnjo po voznem ciklu in po njej enako. Prav tako so pri teh izračunih dodani izkoristki pretvorb energije, saj je namen določiti optimalno strategijo. Ker naš cilj ni bila optimizacija porabe goriva za WLTC vozni cikel, smo to področje posplošili do ravni, ki je potrebna za določitev vpliva delovanja elektromotorja na porabo goriva motorja z notranjim zgorevanjem. Zavedali smo se vseh pomanjkljivosti, do katerih nas privede posplošitev že pri izbiri diagram BSFC, ki velja za obravnavano vozilo.
2.1.1 Hibridizacija
Pri vozilih s hibridnimi pogonskimi sklopi je več različnih načinov delitve vozil v kategorije.
Ena izmed kategorij je razvrščanje vozil na podlagi stopnje hibridizacije vozila. Enačba (1) zajema moči posameznih sklopov v vozilu [5].
𝐻𝑖 [%] = 𝑃𝐸𝑀
𝑃𝐸𝑀+ 𝑃𝐼𝐶𝐸 = 15 kW
15 kW + 55 kW∗ 100 % = 21,4 % (1) Vrednost enačbe (1) razvršča vozilo po stopnji hibridizacije med mehka hibridna vozila, saj vrednosti med 20 in 50 % predstavljajo skupino mehkih hibridnih vozil. Z vse bolj strožjimi ukrepi glede zmanjšanja porabe goriva se avtomobilski proizvajalci odločajo za implementacijo različnih ravni hibridizacije vozil. Hibridna električna vozila ponujajo boljšo ekonomiko porabe goriva kot konvencionalni motorji z notranjim zgorevanjem. Mehka hibridna vozila nimajo sposobnosti polnitve baterijskega paketa iz omrežja. Polnitev baterijskega paketa se izvede med vožnjo ob uporabi regenerativnega zaviranja in/ali vožnjo pri visokih obratih. Med zaviranjem se elektromotorja izklopita in delujeta kot generator, s tem pa se del zmanjšanja kinetične energije (vrtenje koles) pretvarja v električno energijo.
Pomembno je tudi omeniti, da celotne energije ne moremo pretvoriti predvsem zaradi dodatne krmilne tehnike, ki se običajno zelo pregreva v času regenerativnega zaviranja vozila.
2.2 Strategija upravljanja z energijo
Ker gre za hibridno vozilo, izhaja skupna energija za premagovanje voznih uporov iz dveh sklopov. Električni sklop zajema kolesna elektromotorja in baterijski paket. Sprednji del vozila zajema motor z notranjim zgorevanjem ter 5-stopenjski menjalnik in reduktor. Pri obravnavi vozila smo bili osredotočeni predvsem na električni sklop vozila in vplive delovanja le-tega na končno porabo vozila. Upoštevali smo izkoristke pri pretvorbi obratov motorja prek menjalnika in reduktorja ter izkoristke pretvorbe električne energije iz baterijskega paketa in izkoristek elektromotorjev. Predpostavili smo tudi, da je stanje napolnjenosti baterijskega paketa zadostovalo za porabo energije skozi celoten vozni cikel WLTC, to dokažemo tudi v zadnjem delu diplomskega dela. Podatke o izkoristkih menjalnika in reduktorja smo povzeli po prosto dostopni literaturi o obravnavanem vozilu.
Izkoristek elektromotorjev je po podatkih izdelovalca 95-odstoten, energijski izkoristek baterijskega paketa pa 83,2-odstoten [9, 10].
Teoretične osnove
5
2.3 Cikel WLTC
Cikel WLTC je bil razvit v sklopu delovne organizacije za izpuste in energijo, v kateri so bile članice Evropska unija, Švica, Japonska, Indija, Koreja in Združene države Amerike.
Objektivni cilj je bil izdelati cikel, ki bi karseda najbolj popisal realni svet voženj v različnih delih sveta z ustrezno utežjo. Pri razvijanju voznega cikla so bili uporabljeni podatki iz prevoženih 765 tisoč kilometrov. Pridobljeni podatki so izhajali iz različnih tipov vozil, cestišč in slogov vožnje. Rezultat razvoja je pridobljen cikel WLTC, ki se uporablja pri certificiranju lahkih vozil v avtomobilski industriji. Cikel je klasificiran za tri kategorije vozil, ki jih razvrščamo po sistemu razmerja PMS (angl. power-to-mass). Vzrok razvoja cikla izhaja iz predhodnega cikla NEDC, saj bolj realno ponazarja dejansko vožnjo [6].
Vozni cikel je cikel vožnje, ki upošteva vplive okolja in voznika ter zajema vožnjo po enotno določeni površini. Podatki o našem ciklu so bili povzeti po standardni literaturi in so referenca za vse preračune, ki smo jih izvedli tekom diplomskega dela. Določevanje strategije vklopa elektromotorjev se navezuje na vozni cikel WLTC. Slika 2.2 prikazuje potek hitrosti vozila v ciklu WLTC.
Slika 2.2: Graf WLTC 0
20 40 60 80 100 120 140
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Hitrosti vozila v [km/h]
Čas t [s]
Teoretične osnove
6
2.4 Vozni upori
Zaradi gibanja vozila po površini pride do izgub energije. Izgube povzročajo vozni upori, bodisi pri gibanju bodisi pri mirovanju vozila na površini.
Pri vožnji vozila se pojavijo naslednji upori:
• upor strmine,
• kotalni upor,
• upor zraka,
• vpliv vztrajnosti.
Za izračun voznih uporov smo uporabljali podatke iz voznega cikla WLTC, saj lahko le tako najbolj natančno izračunamo potrebne momente za premikanje vozila in v nadaljevanju določitev strategije vklopa elektromotorjev. Za čim bolj natančno določitev strategije je treba poznati delovanje vozila v vseh trenutkih vožnje, za kar je bil uporabljen že prej predstavljen vozni cikel vožnje vozila. Za gibanje vozila je treba poznati vrsto in vrednosti posameznih voznih uporov, da lahko določimo potrebno silo, ki dovoljuje gibanje vozila.
2.4.1 Upor strmine
Pojav upora strmine izhaja iz okolja gibanja vozila. Upor se pojavi pri vožnji vozila po strmini, ki je definirana prek kota vzpona vozila. Vrednosti upora strmine so poleg teže vozila definirane še prek kota vzpona vozila. Predznaki vrednosti upora se navezujejo na smer gibanja vozila, pri čemer pozitivne vrednosti veljajo za vzpon po strmini in negativne za spust vozila po strmini. S slike 2.3 je razvidno, da je upor strmine enak komponenti teže, ki je paralelna s klancem.
Slika 2.3: Upor strmine [3]
Teoretične osnove
7 Pri izračunih v nadaljevanju uporabljamo enačbo (2) [3].
𝑅𝑆 = ±𝐹𝐺 ∙ sin(𝛼) (2)
V enačbo (2) vstavimo težo vozila G [N] in kot strmine.
V nadaljevanju naloge je bila na podlagi podanih podatkov o voznem ciklu sprejeta odločitev, da je v območju celotnega intervala voznega cikla strmina enaka 𝛼 = 0°, kar pomeni, da so bile vse vrednosti enake 0 N.
2.4.2 Kotalni upor
Kotalni upor se pojavi v dotikališču kolesa s površino, razlog za to je predvsem deformacija pnevmatike in površine. Odvisen je od teže vozila, koeficienta kotalnega upora in kota klanca. Kotalni upor deluje na vozilo zaradi vrste v vsakem trenutku intervala voznega cikla.
𝑅𝑓 = 𝑓 ∙ 𝐹𝐺∙ cos(𝛼) (3)
Enačba (3) zajema kotalni upor pri vožnji vozila po strmini. Za vrednost koeficienta kotalnega upora smo izbrali vrednost 𝑓 = 0,01 [/], ki pripada vrednosti koeficienta po asfaltni gladki površini za večino vozil [11]. Vrednosti koeficienta se razlikujejo med posameznimi pnevmatikami, dodatno pa so še zelo odvisne od hitrosti. V diplomskem delu smo zanemarili razlike med vrednostmi in predpostavili, da se kotalni upor s hitrostjo ne spreminja. Kotalni upor vozila pri vožnji naravnost sestavljajo še osnovni kotalni upor koles, upor stekanja koles in upor zaradi vožnje po neravni cesti. Ker so deleži upora stekanja koles in upor zaradi vožnje po neravni cesti majhni, jih lahko zanemarimo in upoštevamo samo osnovni kotalni upor koles.
2.4.3 Upor zraka
Zračni upor se pojavi pri premikanju vozila in deluje na vsako površino vozila. Za nas je pomemben predvsem upor pri hitrosti, večji od 0, saj je zračni upor, če vozilo miruje, enak 0. Če je tudi absolutna hitrost enaka 0, vrednosti upora zraka naraščajo s kvadratom hitrosti.
Hitrosti v našem diplomskem delu dosegajo vrednosti do 130 km
h in zato so vrednosti upora zraka višje v zadnji tretjini voznega cikla. Zaradi tehničnih omejitev elektromotorjev in posledičnega izklopa elektromotorjev je prav upor zraka velik faktor pri delovanju motorja z notranjim zgorevanjem. Zaradi potrebnih višjih sil, ki jih je treba premagovati, je posledično poraba goriva v zadnji tretjini večja [3].
𝑅𝑧 = 1
2∙ 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑐 ∙ 𝑣2 (4)
Teoretične osnove
8
Posamezne vrednosti v enačbi (4) so:
• 𝜌 [kg/m2]: gostota zraka,
• 𝑐 [/]: koeficient zračnega upora,
• 𝐴 [m2]: čelna površina vozila,
• 𝑣 [m/s]: hitrost vozila.
Za potrebe določitve čelne površine vozila je bila izbrana enačba (5), ki na podlagi znanih podatkov o širini in višini vozila določi vrednost čelne površine za namene izračuna.
Enačba za izračun čelne površine:
𝐴 ≈ 0.9 ∙ 𝐵 ∙ 𝐻, (5)
pri čemer je:
• B [m]: največja širina vozila,
• H [m]: največja višina vozila.
Slika 2.4: Čelna površina vozila [3]
2.4.4 Vpliv masne vztrajnosti vozila
Vpliv masne vztrajnosti vozila opišemo s silo, ki je potrebna za pospeševanje translatornih in rotacijskih mas. Večina rotacijskih vztrajnostnih mas, ki vplivajo na končni rezultat, se nahaja na zadnji premi, v kateri se nahajata kolesna elektromotorja, ki ju upoštevamo kot velika zobnika za redukcijo. Ostale rotacijske komponente imajo bistveno manjše masne vztrajnostne momente, zato smo izbrali enačbo približka vrednosti faktorja rotacijskih mas in enačbo vpliva vztrajnosti. Enako smo predpostavili, da imajo gredi v obravnavanem vozilu zanemarljivo majhne vrednosti vztrajnosti, zato bistveno ne vplivajo na celoten vztrajnostni vpliv [8].
𝛿 = 1,03 + 𝑘 ∙ 𝑖𝑚2 (6)
Pri enačbi (6) pomenita:
• k = 0,04: vrednost, ki velja za osebna vozila,
• im: trenutno prestavno razmerje v menjalniku.
𝑅𝑖 =𝐹𝐺
𝑔 ∙ 𝑎 ∙ 𝛿 (7)
Teoretične osnove
9 Pri enačbi (7) upoštevamo konstanto za težnostni pospešek 𝑔 = 9,81 m
s2. Poleg podatka o težnostnem pospešku imamo še izračunan faktor rotacijskih mas 𝛿, za podatek o trenutnem pospešku vozila pa smo uporabili kar podatke z grafa WLTC. Posledica dinamike pospeška vozila poskrbi, da se na vozilu izvajajo napori, ki predstavljajo oviro pri določevanju strategije vklopa elektromotorjev. V nadaljevanju diplomskega dela smo veliko pozornosti namenili prav področju o pospeških vozila in celotno strategijo določili okoli pospeškov vozila v danih trenutkih vožnje po voznem ciklu vozila. Pospešek je veljal za največji izziv pri diplomskem delu, saj se sunkovito spreminja. Posamezni interval je skozi celotno časovno območje enak, to je ena sekunda. Prav zaradi sekundnega intervala smo v nadaljevanju predstavili sunkovito naraščanje pospeška v eni sekundi.
2.5 Diagram BSFC
Za potrebe poznavanja karakteristike motorja so proizvajalci uvedli diagram BSFC (angl.
Brake Specific Fuel Consumption). Ta prikazuje specifično porabo goriva v odvisnosti od obratov motorja in momenta motorja. Proizvajalci motornih sklopov so izdelali ta graf, da bi lažje predstavili območje, v katerem motor najbolj optimalno deluje, drugače povedano, kdaj porabi najmanj goriva za dosego posameznega momenta in obratov motorja. Graf BSFC je za različna vozila praktično nedostopen, saj je to ena izmed poslovnih skrivnosti posameznega podjetja, ki konstruira motorje z notranjim zgorevanjem. Za referenco in nadaljnje računanje je bil vzet najbolj primeren diagram BSFC, ki smo ga lahko pridobili.
Prav ta diagram pa je v našem primeru predstavljal osnovo za izračune porabe goriva motorja z notranjim zgorevanjem. Poznavanje diagrama je kompleksnejše narave, saj je vsak diagram predstavljen kot površinski diagram, vendar je v resnici zaradi narave podatkov to ploskovni diagram. Zaradi že prej omenjene nedostopnosti teh podatkov smo za referenco vzeli diagram vozila Toyota Prius, ki je v osnovi tudi hibridno vozilo in je bil v primerjavi s preostalimi prosto dostopnimi diagrami najbolj podoben diagram našemu vozilu. Pri tem se pojavijo tudi posamezna odstopanja, vendar smo to upoštevali v nadaljevanju diplomskega dela in v končni fazi tudi v diskusiji rezultatov [1].
Slika 2.5: Diagram BSFC [2]
Slika 2.4 prikazuje diagram, ki smo ga uporabili v nadaljevanju diplomskega dela kot referenčni diagram za izračune porabe motorja z notranjim zgorevanjem.
Teoretične osnove
10
2.6 Določevanje strategije uporabe elektromotorjev in motorja z notranjim zgorevanjem
Zaradi sestave hibridnega sklopa imamo možnost krmiljenja elektromotorjev prek pedala za plin. Osredotočili smo se za strategijo, pri kateri elektromotorja delujeta kot pomoč obstoječemu sklopu vozila. Ker nismo imeli možnosti krmiliti Ottovega motorja, smo poiskali rešitev, v katerih trenutkih v ciklu se elektromotorja vklopita in skrbita za dodatno moč oz. prihranek goriva, saj je ob delovanju elektromotorjev potreben manjši moment na motorju z notranjim zgorevanjem, kar posledično pomeni prihranek goriva. Prav tako nismo določevali dosega vozila v kombinaciji delovanja obeh sklopov, saj je kapaciteta baterije večja, kot je pri serijskih vozilih s hibridnim sklopom. Celotno določevanje je bilo navezano na dane pospeške vozila v voznem ciklu in določitev treh načinov vožnje za primerjavo rezultatov porabe goriva motorja z notranjim zgorevanjem. Ker so vozni upori neposredno povezani z delovanjem vozila, je bila sklenjena odločitev, da najprej obdelamo področje delovanja elektromotorjev in nato delovanje motorja z notranjim zgorevanjem.
Področje določevanja strategije je tako osrednja tema diplomskega dela. Na podlagi zastavljene določene strategije vklopa elektromotorjev je bil izveden celoten preračun porabe vozila za dane načine vožnje, ki pa je predstavljal podatek o vplivu delovanja elektromotorjev na porabo goriva motorja z notranjim zgorevanjem. Ker kontrolni sistem elektromotorjev ne omogoča zvezno nastavljivega regenerativnega zaviranja, je le-to na vozilu izklopljeno. Zato se vso električno energijo pridobi s polnjenjem baterij iz omrežja.
Posledično smo poleg prihranka goriva za pogon Ottovega motorja ocenili tudi porabo električne energije v voznem ciklu.
11
3 Metodologija dela
3.1 Podatki o vozilu
Pri izvedbi diplomskega dela smo uporabili vozilo v lasti Katedre za strojne elemente in razvojna vrednotenja. Za potrebe izračunov in določevanja strategije vklopa elektromotorjev so bili pridobljeni nekateri javno dostopni podatki o vozilu in podatki o ciklu WLTC. Vsi preračuni so bili izvedeni s pomočjo programskega paketa Microsoft Office 365, programiranje mikro krmilnikov pa s programsko kodo Python. Slika 3.1 predstavlja obravnavano vozilo.
Slika 3.1: Hibridno vozilo Renault Twingo 1.2 16V
Metodologija dela
12
3.1.1 Karakteristike vozila
Uporabljeno je bilo vozilo Renault Twingo 1.2 16V z bencinskim motorjem. Vozilo uporablja 5-stopenjski ročni menjalnik, ki je prek reduktorja povezan s prednjo premo.
Največji moment motorja z notranjim zgorevanjem je 93 Nm. Kot del električnega sklopa vozila sta v uporabi dva kolesna elektromotorja z nazivnim momentom 400 Nm.
Podatki o vozilu:
Preglednica 3.1: Karakteristike menjalnega sklopa vozila
Prestava i [/] η [/]
𝑖1 3,73 0,99
𝑖2 2,05 0,99
𝑖3 1,39 0,99
𝑖4 1,03 0,99
𝑖5 0,8 0,99
𝑖𝑅 3,55 0,98
𝑖𝑘𝑔 3,56 /
𝑖𝑂 0,9
Preglednica 3.2: Podatki za preračun uporov Faktor kotalnega
upora [/]
f= 0,01
Dimenzija pnevmatik 185/55 R13 Površina prečnega
prereza [m2]
A= 2,2
Koeficient zračnega upora [/]
c= 0,35
Strmina klanca stopinj 0
Sila teže vozila N 10.100
Iz preglednice 3.2 si za nadaljnje izračune preračunamo statični polmer kolesa iz dimenzije pnevmatik po enačbi (8).
𝑟𝑠𝑡 ≅ 𝑟𝑑 = 𝐷["]∙25,4[mm/"]
2 +𝑏[mm] ∙ 𝑥[%]
100[%]
= 13∙25,4mm
2 +185mm ∙ 35%
100% = 266,85 mm
= 0,267 m
(8)
Pri računanju po enačbi (8) so bili uporabljeni podatki iz preglednice 3.2 za pnevmatiko dimenzij 185/55 R13. Pri izračunih smo uporabljali statični polmer, saj podatek o dinamičnem polmeru kolesa ni znan in smo si pomagali z enačbo (8). Statični polmer se uporablja v vseh primerih pri izračunavanju moment na kolesu, saj je po definiciji momenta le-ta vektorski produkt sile in ročice.
Metodologija dela
13
3.2 WLTC
Podatki o ciklu WLTC so bili pridobljeni iz javne baze v Excelovi datoteki in uporabljeni za nadaljnje izračune. V našem primeru gre za uporabo cikla razreda 3b, ki zajema tretjo stopnjo vozil in hitrosti, večje od 120 km
h . Tretja skupina pri razdelitvi voznih ciklov zajema vozila, ki jih vozijo predvsem v Evropi in na Japonskem. Razvrstitev v posamezne skupine je posledica razmerja med maso in močjo, ki je prvotni klasifikator pri razvrščanju vozil v posamezne razrede.
Cikel zajema naslednje parametre:
• čas [s]: časovna spremenljivka cikla WLTC,
• hitrost v [m
s]: hitrost ob danem času,
• pospešek a [m
s2]: pospešek ob danem času,
• pot s [m]: prevožena razdalja do podanega časa.
Cikel WLTC ima časovni interval med 0 in 1800 s. Skupna prevožena razdalja v ciklu je 23.262 m. Najvišja dosežena hitrost je 131,3 km/h, pri celotnem ciklu pa je bila najvišja vrednost pospeška 1,58 m/s2.
Za namene preglednosti je bil graf razdeljen na tri grafe, ki prikazujejo hitrost in pospešek vozila v odvisnosti od časa.
Slika 3.2: Graf WLTC od 0 do 600 s [7]
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0 20 40 60 80 100 120 140
0 120 240 360 480 600
Pospešek vozila[m/s²]
Hitrost vozila [km/h]
Čas [s]
km/h m/s²
Metodologija dela
14
Slika 3.3: Graf WLTC od 600 do 1200 s [7]
Slika 3.4: Graf WLTC od 1200 do 1800 s [7]
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0 20 40 60 80 100 120 140
600 720 840 960 1,080 1,200
Pospešek vozila [m/s²]
Hitrost vozila [km/h]
Čas [s]
km/h m/s²
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0 20 40 60 80 100 120 140
1,200 1,320 1,440 1,560 1,680 1,800
Pospešek vozila [m/s²]
Hitrost vozila [km/h]
Čas [s]
km/h m/s²
Metodologija dela
15 Pri pregledu preglednic 3.2, 3.3 in 3.4 smo opazili, da sta bila prisotna samo dva podatka, in sicer o hitrosti vozila in pospešku vozila. Ker je narava uporov vezana na gibanje vozila, sta bila ta dva podatka dovolj za preračune vseh vrednosti uporov.
Pri pregledu smo lahko opazili, da je prav namenoma razdelitev grafa na tri grafe pomembna.
Vozni cikel je sestavljen iz štirih delov oz. območij delovanja vozila. To so nižja stopnja z maksimalno hitrostjo 56,5 km
h , srednja stopnja z maksimalno hitrostjo 76,6 km
h , višja stopnja z maksimalno hitrostjo 97,4 km
h in visoka stopnja z maksimalno hitrostjo 131,3 km
h . Za namene diplomskega dela so bili pomembni predvsem nižja in srednja stopnja ter del višje stopnje zaradi hitrosti. Naša omejitev se navezuje na izklop elektromotorja in tako nezmožnost pomoči pri skupni vlečni sili vozila. Kljub delovanju brez elektromotorjev pa je vozilo sposobno premagovati vozne upore in tako nadaljevati vožnjo po voznem ciklu.
3.3 Izračun voznih uporov pri vožnji po WLTC
Pri računanju uporov izhajamo iz podanih podatkov o ciklu WLTC iz prejšnjega podpoglavja 3.2 in že predstavljenih enačb o voznih uporih iz poglavja 2.3. Potrebo po pospeševanju vozila izpolnimo prek enačbe (9).
𝐹𝑉 − 𝑅𝑠− 𝑅𝑓− 𝑅𝑧= 𝑚 ∙ 𝑎 ∙ 𝛿 (9)
Enačba (9) [3] prikazuje pogoj za premikanje vozila. Vsota vseh uporov 𝑅𝑈 mora biti manjša kot vlečna sila vozila, če želimo pospešiti vozilo. V našem primeru bo vlečna sila 𝐹𝑉 vsota sil iz motorja z notranjim zgorevanjem in elektromotorja v zadnji premi. Do te enačbe smo prišli na podlagi razmisleka, kaj je sploh potrebno, da se neko vozilo sploh premakne. Desni del enačbe (9) se v inženirski praksi imenuje upor vztrajnostnih mas. Na eni strani smo imeli upore, ki zavirajo gibanje vozila, na drugi strani pa silo, ki jo pridobimo iz pogonskih sklopov. Pri vsem je na začetku potrebna posplošenost, ki nas pripelje do enačbe (9) in nadaljnjega izračuna sile, ki je potrebna za premik vozila. V ciklu se pojavijo tudi različni pojemki, vendar smo to v našem primeru izpustili, saj je naša osredotočenost predvsem na pozitivno smer gibanja, torej pospeševanje oz. mirovanje vozila v voznem ciklu, ki smo ga izbrali za namene izračunavanja. V nadaljevanju izhajamo iz poglavja 2.3, ki zajema vse potrebne enačbe za izračun posameznih voznih uporov.
3.3.1 Kotalni upor
Kotalni upor je odvisen predvsem od vrste površine, po kateri se giblje vozilo, in od skupne teže vozila G. Ker je površina skozi celoten cikel enaka, je dovolj, da za koeficient kotalnega upora vzamemo vrednost 𝑓 = 0,01, [11] ki predstavlja vrednost za asfaltno podlago, ki je v celotnem ciklu.
𝑅𝑓= 𝑓 ∙ 𝐺 ∙ cos(𝛼) = 0.01 ∙ 10100 ∗ cos(0°) = 101 N (3) Vrednost kotalnega upora iz enačbe (3) se ohranja skozi celoten cikel vožnje, saj smo v poglavju 2.4.2 utemeljili ozadje poenostavitve izračunov na podlagi premalo podatkov.
Metodologija dela
16
3.3.2 Upor zraka
Upor zraka se skozi celoten interval cikla spreminja, saj je odvisen predvsem od naraščanja oz. padanja hitrosti. Za preračun smo zbrali potrebne podatke in jih predstavili v preglednici 3.5. Pri celotnem konstruiranju vozila bi morali upoštevati ta upor kot zelo pomemben, saj bi ob želenem doseganju višjih hitrosti bistveno povečal vrednosti, posledica tega pa bi bila višja vsota sil voznih uporov 𝑅𝑈.
Preglednica 3.3: Podatki, potrebni za izračun upora zraka 𝜌 [kg
m2
⁄ ] 1.205
𝐴 [m2] ≈ 0.9 ∙ 𝐵 ∙ 𝐻 = 2,2
𝑐 [/] = 0,35
Predstavljene vrednosti v preglednici 3.6 so nespremenljive vrednosti skozi vozni cikel, saj so to oblikovne in vrednosti okolja voznega cikla. To pomeni, da na te vrednosti ne moremo vplivati in jih moramo obvezno upoštevati takšne, kot so. Pri gostoti zraka je izbrana srednja vrednost in ni upoštevano morebitno spreminjanje okolja. Zaradi posplošitve so vrednosti primerne za izračune v diplomskem delu.
Iz podanih podatkov iz preglednice 3.6 in enačbe (4) smo prišli do grafa zračnega upora v odvisnosti od časa trajanja intervala cikla.
Slika 3.5: Zračni upor 0
100 200 300 400 500 600
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Zračni upor Rz[N]
Čas t[s]
Zračni upor
Metodologija dela
17 S slike 3.7 razberemo, da so vrednosti v prvem delu do približno 600 s majhne. To je posledica območja z nižjimi hitrostmi glede na izhodiščni vozni cikel vožnje. Vrednosti v tem predelu samo enkrat presežejo mejo 100 𝑁. Prav v tem predelu je to pomembno, saj lahko pri uporabi pravilne strategije vklopa elektromotorjev veliko momenta pridobimo iz električnega sklopa vozila in posledično manj momenta na motorju z notranjim zgorevanjem, kar seveda posledično pomeni večje prihranke goriva bencinskega motorja. V območju s srednjimi vrednostmi hitrosti med 600 in 1000 s naraste sila zračnega upora zaradi dviga hitrosti vozila pri vožnji po voznem ciklu. Tudi tukaj je podobno kot v prvem delu omogočena uporaba elektromotorjev, saj vozilo ne doseže omejene maksimalne hitrosti elektromotorjev, ki je nastavljena na 80 km
h . Med 1000 in 1500 s se nahajamo v območju višjih hitrosti in v tem območju dosežemo pri približno 1200 s hitrost 80 km
h , pri kateri uporaba elektromotorjev ni več omogočena. V tem območju lahko vidimo, da se sila zračnega upora v primerjavi z območjema prej zelo poveča in doseže 335 N, kar je že precej visoka vrednost. V zadnjem območju med 1500 in 1800 s se nahajamo v območju visokih hitrosti, kjer tudi vozilo doseže maksimalno hitrost v voznem ciklu, kar poveča silo zračnega upora na 603 N. Težava tega območja je nezmožnost uporabe elektromotorjev, kar se odraža pri večji obremenitvi motorja z notranjim zgorevanjem in posledično večji porabi goriva motorja z notranjim zgorevanjem.
3.3.3 Upor vztrajnostnih mas
Upor vztrajnostnih mas oz. inercijski upor v celotnem ciklu najbolj vpliva na delovanje celotnega sklopa hibridnega vozila, saj se sunkovito spreminja in ga je treba upoštevati pri določevanju strategije uporabe elektromotorjev. Pri pospeševanju je potrebno ta upor premagovati, pri zaviranju pa ne. Največji vpliv v enačbi (5) imata faktor rotacijskih mas 𝛿, ki vsebuje podatke o trenutni prestavi v ciklu, in pospešek vozila v danem času glede na celotni interval cikla. Manjkajoče podatke o posamezni prestavi v danem trenutku smo predpostavili iz realnega načina vožnje. Pri izbiri prestave smo se navezovali na posamezne hitrosti v danem času in na podlagi tega izbrali prestavo, kot če bi v realnem svetu vozili in prestavljali, saj se lahko tako najbolj približamo realnemu stanju oz. stanju vožnje po ciklu.
Izbira prestave je tako prva spremenljivka, ki upošteva realnega voznika in ni določena teoretično. Določitev je torej določena subjektivno na podlagi izkušenj vožnje vozila.
Slika 3.6: Trenutne prestave pri vožnji vozila po ciklu WLTC
1 2 3 4 5
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Prestava i[/]
Čas t[s]
Metodologija dela
18
Slika 3.7: Upor vztrajnostnih mas
Slika 3.8: Upori na vozilo
-2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Upor vztrajnostnih mas Ri[N]
Čas t[s]
Upor vztrajnostnih mas
-2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Vozni upori R[N]
Čas t[s]
Upor strmine Kotalni upor
Upor vztrajnostnih mas Zračni upor
Metodologija dela
19 S slike 3.8 je razvidno prestavljanje prestav v 5-stopenjskem menjalniku vozila. Navezuje se na hitrosti v posameznem časovnem intervalu vožnje po voznem ciklu. Zaradi subjektivne določitve prestave je to območje, kjer se lahko pojavijo posamezna odstopanja, saj določitev prestave ni teoretično določena iz preglednice voznega cikla. Potreba po subjektivni določitvi izhaja iz premalo podatkov iz obstoječega grafa voznega cikla, vendar pa za določitev upora vztrajnostnih mas potrebujemo posamezno prestavno razmerje v vsakem trenutku vožnje. Iz poglavja 2.3.4 izhajamo za določitev vrednosti upora vztrajnostnih mas.
Ker smo podatke o posamezni prestavi določili, le-te upoštevamo v enačbi (6) in v kombinaciji s podatki iz preglednice 3.8 pridemo do preglednice 3.9, ki prikazuje izračunane vrednosti upora vztrajnostnih mas v celotnem voznem ciklu. V primerjavi z ostalimi voznimi upori v preglednici 3.10 smo takoj opazili, da so vrednosti veliko večje kot vrednosti ostalih uporov. Upor vztrajnostnih mas se prav tako pojavi pri pojemanju vozila. Vrednosti se gibljejo med −2400 N in 2500 N. To so vrednosti, ki posledično največ prinesejo v vsoto voznih uporov ∑ 𝑅𝑈. Če primerjamo posamezne vrednosti, smo opazili, da je med 0 in 1500 s največja dinamika sile upora vztrajnostnih mas, saj se v tem območju pojavljajo najvišje vrednosti pospeška oz. pojemka vozila. V zadnjem območju med 1500 in 1800 s je dinamika vrednosti manjša, vozilo sicer dosega višje hitrosti, kar je opaziti po pregledu sil zračnega upora, vendar pa so pospeški v tem območju veliko manjši kot v prvem delu.
3.4 Izračun momenta iz uporov in podatkov o vozilu
Ker smo v prejšnjem poglavju 3.2 izvedli izračune voznih uporov na vozilo pri vožnji po ciklu WLTC, smo sedaj izhajali iz le-teh. Iz enačbe (9) lahko izhajamo in vse vozne upore seštejemo ter zmnožimo s statičnim polmerom kolesa 𝑟𝑠𝑡. Zaradi približno enake vrednosti med dinamičnim in statičnim polmerom vzamemo statični polmer.
𝑀𝑘𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎𝑊𝐿𝑇𝐶 [Nm] = 𝑅𝑈∙ 𝑟𝑠𝑡 (10)
Enačba (10) velja za celoten cikel, zato smo jo uporabili čez celoten interval cikla. Za pravilnost izračuna je treba vse vrednosti pretvoriti v osnovne enote, da na koncu pridemo do pravilnega rezultata. Vsota sil voznih uporov je že v osnovni enoti, pretvorba je potrebna pri statičnem polmeru, ki mora biti v enoti m. Za vsoto voznih uporov smo neposredno izhajali s slike 3.10, temu pa smo dodali še podatek o statičnem polmeru iz enačbe (8).
Slika 3.9: Moment na kolesu WLTC
-700 -200 300
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Moment M [Nm]
Čas t[s]
Navor na kolesu WLTC
Metodologija dela
20
Moment v preglednici 3.11 se navezuje na kolesni upor. To je torej moment, katerega moramo zagotoviti na kolesih vozila, da se lahko vozilo giblje premočrtno po voznem ciklu.
Neposredno ga lahko upoštevamo pri kolesnih elektromotorjih, ki so sestavni del kolesa, in če med prenosom momenta iz elektromotorjev na kolesa ni vmesnega elementa, ki bi zmanjšal obrate oz. moment, kot je to pri pogonskem sklopu motorja z notranjim zgorevanjem. V primeru motorja z notranjim zgorevanjem je vmesni element 5-stopenjski menjalnik in kotno gonilo, ki prilagodita obrate in momente. To je nujno potrebno, saj se obrati motorja gibljejo v višjih vrednostih kot kolesa in bi pri morebitni neposredni povezavi prišlo do prevelikih obremenitev na motor z notranjim zgorevanjem. V podpoglavju 3.5 je predstavljena pravilna pretvorba moment na motorju z notranjim zgorevanjem iz obstoječega momenta na kolesih iz voznega cikla. Ob pregledu rezultatov izračuna v preglednici 3.11 smo ugotovili, da so vrednosti momenta visoke in že neposredna primerjava podatkov ni mogoča, saj je naš maksimalni moment na motorju z notranjim zgorevanjem veliko manjši, kot so predpostavljeni momenti na kolesih. Ob primerjavi preglednic 3.10 in 3.11 vidimo, da je veliko podobnosti, če se osredotočimo samo na obliko grafa in potem momenta. Neposredna povezava izhaja prav zaradi vsote voznih uporov, ki so edina spremenljivka v enačbi (10). V nadaljevanju smo pridobljene podatke uporabili kot osnovo in gradili vso strategijo na podlagi znanih podatkov o potrebnem momentu na kolesih. Do tega momenta sicer lahko pridemo na podlagi hibridnega sklopa bodisi prek elektromotorjev bodisi prek motorja z notranjim zgorevanjem, vendar v večini časa kar s kombinacijo obeh pogonov. Z grafa je lepo razvidno, da so se poleg pozitivnih vrednosti pojavile tudi negativne vrednosti momenta na kolesih. Negativne vrednosti momenta predstavljajo del, ko vozilo pojema oz. zavira. Ta del bi lahko uporabili pri določitvi regenerativnega zaviranja, vendar se pri tem diplomskem delu nismo osredotočali na regenerativno zaviranje, bi pa to lahko bilo odlično izhodišče za določitev energije, ki se lahko uporabi za polnjenje baterijskega sklopa in povečavo dosega vozila. Regenerativno zaviranje ima tudi posamezne omejitve, saj v praktičnem okolju 100-odstotna pretvorba kinetične energije v električno ni mogoča.
Razlog za to se pojavi v ostalih elementih elektronskega sklopa, ki skrbijo za pretvorbo energije, tj. predvsem inverter in sistem za management polnitve in praznitve baterijskih celic v baterijskem sklopu. Te komponente se ob pretvorbi močno segrevajo in v posameznih trenutkih tudi pregrevajo. S pregrevanjem sistemov se avtomatsko varnostno izklopijo in preprečijo nadaljnjo pretvorbo kinetične energije v električno energijo.
3.5 Določitev vrste pogona pri vožnji po ciklu WLTC
Izhajali smo s slike 3.11, v kateri smo že določili potreben moment za premagovanje cikla, vendar se ta moment v našem primeru deli na dva dela: na moment, ki ga dobimo iz Ottovega sklopa, in na del momenta, ki ga pridobimo iz elektromotorjev. Prav na izbiro posameznega pogona v danem trenutku smo bili pozorni in se odločali za strategijo vklopa elektromotorjev. Ker smo v prejšnjem poglavju določili potreben moment, ki ga moramo zagotavljati na kolesih pri premagovanju voznega cikla, smo se v tem poglavju osredotočili predvsem na porazdelitev energije v hibridnem sklopu. Zahtevana vrednost momenta na kolesih se s pomočjo enačbe določa kot vsota momentov na kolesih posameznega sklopa vozila. Enačba (11) prikazuje vsoto momentov v hibridni transmisiji vozila.
𝑀𝑘𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎𝑊𝐿𝑇𝐶 [Nm] = 𝑀𝐼𝐶𝐸𝑘𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎+ 𝑀𝐸𝑀𝑘𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎 (11)
Metodologija dela
21 Pojasnitev momentov:
• 𝑀𝐼𝐶𝐸𝑘𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎: moment na prednjih kolesih Ottovega sklopa pogona,
• 𝑀𝐸𝑀𝑘𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎: moment na zadnji premi iz elektromotorjev.
Ker je bil naš vhodni podatek skupni moment, je bilo treba še prej ustrezno izoblikovati posamezni moment, da smo lahko v nadaljevanju izdelali strategijo in primerjali rezultate.
Moment, ki izhaja iz Ottovega sklopa, je bilo treba še naprej obdelati, saj je Ottov sklop povezan še s 5-stopenjskim menjalnikom in kotnim gonilom, ki zmanjšata število obratov in zmanjšata vrednosti momenta.
Moment na motorju z notranjim zgorevanjem izračunamo po enačbi (12):
𝑀𝐼𝐶𝐸 [Nm] = 𝑀𝐼𝐶𝐸𝑘𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎 𝑖𝐾𝐺∙ 𝑖𝑝∙ 𝜂𝑃 ∙ 𝜂𝑂
(12) Legenda:
• 𝑖𝐾𝐺: prestavno razmerje kotnega gonila [/],
• 𝑖𝑝: vrednost trenutnega prestavnega razmerja [/],
• 𝜂𝑃: izkoristek trenutne prestave [/],
• 𝜂𝑂: izkoristek ostalega dela transmisije.
Pri določitvi momenta na motorju z notranjim zgorevanjem smo izhajali iz podatkov, ki smo jih imeli na razpolago že od prej. Pri podatkih o tehničnih lastnostih menjalnika in kotnega gonila smo izhajali iz preglednice 3.1. Ker še nismo izdelali strategije, kolikšen del momenta bo izhajal iz posameznega sklopa, smo v začetku naredili primerjavo med momentoma za boljšo predstavo o dejanskih vrednostih momenta na motorju z notranjim zgorevanjem.
Zaradi različnih vrst preračunov smo vzeli najprej samo način, da celoten potreben moment izhaja iz sklopa motorja z notranjim zgorevanjem, in z enačbo (12) ustrezno obdelali, kakšen je dejanski moment na motorju z notranjim zgorevanjem. Ta del diplomskega dela je služil kot del, v katerem smo si lažje predstavljali, kakšne vrednosti momenta lahko pričakujemo v nadaljevanju diplomskega dela.
Slika 3.10: Primerjava momenta na kolesih in motorju z notranjim zgorevanjem
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Moment M[Nm]
Čas t[s]
Navor na kolesih motorja z notranjim izgorevanjem Navor na motorju
Metodologija dela
22
Slika 3.12 nazorno prikaže, kakšna je dejanska razlika med posameznima momentoma, in se nanaša na razumevanje momentov na kolesih in momenta na motorju z notranjim zgorevanjem. Že prej smo omenili, da neposredna primerjava momenta na kolesih in momenta na Ottovem sklopu ni mogoča prav zaradi vmesnih komponent. Neposredno pa lahko primerjamo momente na kolesih, kar pa je mogoče samo za primere določitve strategije, kolikšen del bo šel iz posameznega sklopa. Z grafa je razvidno, da so vrednosti rdeče in modre krivulje različne, vendar pa je podobnost v obliki, saj enačba (12) samo ustrezno zmanjša vrednosti in jih ne spreminja oblikovno. V začetku grafa je mogoče opaziti, da se do približno 1200 s moment na motorju z notranjim zgorevanjem giblje do vrednosti 80 Nm. Za razliko se moment na kolesih motorja z notranjim zgorevanjem v tem območju giblje vse do vrednosti 800 Nm, kar so veliko večje vrednosti. Za nadaljnji izračun porabe goriva se uporabi moment na motorju z notranjim zgorevanjem, ki ima dejanske vrednosti momenta. V nadaljevanju smo se posvetili določitvi strategije, ki je osrednja tema diplomskega dela. S pomočjo razlage v tem poglavju smo zato bolje razumeli posamezne momente in lahko ustrezno izbrali posamezno strategijo vklopa elektromotorjev.
3.5.1 Določitev strategije vklopa elektromotorjev na podlagi pospeška in gradienta
Na podlagi pregleda obstoječih implementiranih rešitev v hibridnih vozilih smo prišli do ugotovitve, da izberemo metodo vklopa elektromotorjev glede na potreben pospešek vozila.
Razlog za to izhaja iz voznega cikla in voznih uporov, ki pri večjem pospešku strmo narastejo. Po pregledu vrednosti pospeška z grafa voznega cikla smo ugotovili, da bi bilo dobro, da določimo spodnjo in zgornjo mejno vrednost pospeška, pri katerem pride do vklopa oz. izklopa. Ker se vrednosti pospeška gibljejo do maksimalne vrednosti 1,58 m
s2, smo sprejeli odločitev, da določimo samo spodnjo mejo in pustimo delovanje elektromotorjev do maksimuma. Določili smo torej vklop elektromotorjev pri 0,4 m
s2 in delovanje do morebitnega maksimalnega pospeška 1,58 m
s2.
Slika 3.11: Pospešek vozila skozi celoten cikel -1.50
-0.50 0.50 1.50
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Pospešek a [m/s2]
Čas t[s]
Pospešek vozila
Metodologija dela
23 S sliko 3.13 smo prikazali gibanje pospeška vozila v voznem ciklu. Predstavili smo celotno območje za boljšo predstavo dinamike pospeševanja oz. pojemanja vozila. Del, ko se vozilo giblje v negativnem območju pospeška, vozilo zavira. Ta del smo izpustili in se osredotočili na pospeševalni del vozila, v katerem lahko veliko pomagamo pri dodajanju energije iz elektromotorjev. Z grafa je razvidno, da je v zadnjem delu (1200 do 1800 s) v primerjavi s prvim (0 do 1200 s) vrednost pospeška padala. Razlog za to se skriva v hitrostih vozila v tem delu. V tem delu so hitrosti vozila višje in zato ni velikega pospeševanja, saj v nekaterih intervalih samo vzdržujemo hitrosti na posameznih vrednostih, pri čemer pride tudi do tega, da vozilo ne pospešuje in ne zavira ter tako ohranja konstantno hitrost. Bolj se pomikamo proti zaključku cikla, manjši so naši pospeški. V začetku je mogoče opaziti nenadne skoke pospeška. Prav v ta namen je bil potreben razmislek o dodatnih strategijah, kako nekako omejiti prevelike skoke pospeškov in momentov ter s tem razbremeniti sistem od prevelikih obremenitev.
Zato smo sklenili, da dodamo naši strategiji še eno omejitev, in sicer poleg vklopa glede na pospešek smo dodali še omejitev gradienta momenta na elektromotorjih. Vse skupaj je bila torej naša odločitev glede strategije vklopa. Po pregledu pospeškov in upoštevanju omejitev izklopa elektromotorjev smo določili vrednosti momenta na elektromotorjih. To smo storili tako, da smo v vsakem trenutku, ko smo izpolnili pogoj o posameznem pospešku, vklopili elektromotor do maksimalnega možnega momenta. Vendar pa smo pri tem upoštevali, kakšen je naš zahtevani moment na kolesih iz voznega cikla. Celoten postopek smo uporabili skozi celoten vozni cikel in s tem prišli do grafa, ki ga prikazuje slika 3.14.
Slika 3.12: Moment na elektromotorju brez določitve gradienta
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Moment MEM[Nm]
Čas t[s]
NavorEM obstoječi gradient
Metodologija dela
24
Pri pregledu rezultatov s slike 3.14 smo opazili, da so skoki momenta veliki in v nekaterih trenutkih tudi tako visoki, da moment skoči z vrednosti 0 na maksimalno vrednost momenta elektromotorjev, kar posledično močno obremeni elektromotorje in jim s tem zmanjšuje dobo trajanja. Zelo lepo je bilo to razvidno že v začetku grafa, saj je v 1 s skočila vrednost na maksimalno vrednost momenta na elektromotorjih. Za namene tega smo uredili še dodatno omejitev in izbrali tri načine vožnje, A, B in C, pri katerih smo upoštevali vsa prejšnja določila, vendar še dodatno dodali omejitev gradienta momenta na elektromotorjih.
V zadnjem delu je vrednost v določenem intervalu 0. To je v območju, ko elektromotorji ne delujejo zaradi že prej omenjene hitrostne omejitve. S postavitvijo gradientov smo nekoliko razbremenili elektromotorje, vendar pa smo po drugi strani zmanjšali delež dodane moči iz elektromotorjev, saj je naša celota sestavljena iz dveh sklopov v vozilu. Ker smo želeli čim več k skupni vsoti pridobiti iz elektromotorjev, smo mejo gradienta pri načinu A nastavili nekoliko višjo kot preostala dva, da smo lahko čim več prihranili na moči motorja z notranjim zgorevanjem.
Trije načini glede na gradient naraščanja momenta elektromotorjev:
• način A: maksimalni gradient 200 Nm
s ,
• način B: maksimalni gradient 100 Nm
s ,
• način C: maksimalni gradient 50 Nm
s .
Trije določeni načini so vozni načini znotraj enakega voznega cikla, iz katerega smo izhajali skozi celotno diplomsko delo. Pri tem smo posamezne analize rezultatov razmejili glede na določene načine, saj je nadaljnji potek izračunov vezan na posamezne vrednosti gradienta momenta na elektromotorjih. Ker smo določili gradient, smo z upoštevanjem gradienta lahko določili vrednosti momenta na elektromotorjih skozi celoten vozni cikel. Te vrednosti so prva spremenljivka v enačbi (11). Torej smo izbrali pot, da najprej obdelamo vrednosti momenta iz električnega sklopa, in nato od zahtevane vrednosti momenta na kolesih iz voznega cikla le-te odštejemo in pridemo do momenta na kolesih motorja z notranjim zgorevanjem. Z uporabo takšne strategije smo zagotovili, da je bilo največ možne energije pripeljane z električnega sklopa vozila in čim manj z Ottovega sklopa vozila. Razlog za to odločitev izhaja iz zmanjšanja porabe goriva motorja z notranjim zgorevanjem, ki bo predvidoma manjša, če bomo čim več energije pridobili iz baterijskega sklopa prek elektromotorjev. V nadaljevanju smo prikazali posamezne načine vožnje po voznem ciklu tako, da smo uporabili maksimalne gradiente momenta na elektromotorju in prišli do rezultatov momenta na kolesih elektromotorjev v celotnem voznem ciklu.
3.5.2 Način A
Prvi način nam je dopuščal najvišje vrednosti gradienta momenta, saj smo mejo nastavili na 200 Nm
s . Pri tem smo izhajali s slike 3.14 in podanih tehničnih lastnosti testiranj elektromotorjev. Slika 3.13 prikazuje moment na elektromotorjih z upoštevanjem strategije vklopa elektromotorjev na podlagi pospeškov in gradienta momenta na elektromotorju.
Metodologija dela
25 Slika 3.13: Moment na elektromotorjih, način A
Slika 3.15 prikazuje delovanje elektromotorjev v načinu A, kjer je najvišja dovoljena meja gradienta momenta na elektromotorjih. Elektromotorji dosegajo maksimalne vrednosti pogosto, vendar upoštevamo gradient in tako razbremenitev elektromotorjev. Če bolj natančno pogledamo, lahko vidimo, da skoraj v celotnem intervalu delujejo elektromotorji z najmanj polovično močjo, kar je zelo dobro. S tem veliko prispevajo k skupni vsoti momentov. V nadaljevanju smo lahko zapisali več primerjav s preostalima načinoma vožnje.
3.5.3 Način B
Pri načinu B je bila naša odločitev na omejitev gradienta momenta elektromotorjev na 100 Nm
s . Ker je vrednost gradienta takšna, je bilo mogoče priti do trditve, da velja način B za srednjo opcijo.
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Moment MEM[Nm]
Čas t [s]
Navor EM
Metodologija dela
26
Slika 3.14: Moment na elektromotorjih, način B
Po pregledu smo opazili nekaj razlik, saj v nekaterih intervalih elektromotorja ne dosegata tako visokih ravni momenta, saj ju pri tem omejuje postavljeni gradient. Pri načinu B dosegamo v veliko primerih tudi maksimalne momente, saj je časovni interval delovanja sprejemljiv za podan maksimalni gradient, ki nas še ne omejuje z maksimalno vrednostjo.
To pa ni veljalo v naslednjem načinu C, ki je najbolj omejen in zato v večini primerov delovanja elektromotorjev ne dosega maksimalnega momenta. Iz tega smo lahko izhajali, da je v načinu C moral več delovati motor z notranjim zgorevanjem, posledično pa je tudi poraba večja kot v načinu A ali B.
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Moment MEM[Nm]
Čas t[s]
Navor EM
