23A101 Simulační výzkum specifik vozidla jako celku, distribuovaných zdrojů výkonu a palivových článků jako součásti hybridní hnací jednotky

Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka - Kolokvium Božek 2010. Praha 7.12.2010. V02 - Nové koncepce a optimalizace pohonových ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci ... 2.3 Koncepce zapojení a optimalizace distribuovaných zdrojů výkonu, tj spalovacích motorů včetně palivových článků a akumulátorů/kondenzátorů elektrické i mechanické energie

23A101 Simulační výzkum specifik vozidla jako celku, distribuovaných zdrojů výkonu a palivových článků jako součásti hybridní hnací jednotky. Popis aktivity a hlavní činnosti Sestavení matematického modelu pro odhad účinnosti pohonných řetězců s distribuovanými zdroji výkonu, palivovým článkem a s rekuperací energie pro zvýšení účinnosti v jízdním cyklu. Sestavení databáze účinností komponent pohonu. Kalibrace modelu podle experimentálních dat – součinnost s 2.2 a 5.1.

1M6840770002

Str.

Prof. Čeřovský, ČVUT FEL K13114


23A101 Simulační výzkum specifik vozidla jako celku, distribuovaných zdrojů výkonu a palivových článků jako součásti hybridní hnací jednotky. Sestavení matematického modelu pro odhad účinnosti pohonných řetězců s distribuovanými zdroji výkonu, palivovým článkem a s rekuperací energie pro zvýšení účinnosti v jízdním cyklu. Model vychází z nároků na výkon v každém jízdním režimu rychlost - čas (podle testu, měření, ...) podle pohybové rovnice daného vozidla s odpory. Hledá nejvýhodnější provozní bod daného pohonového řetězce (lze volit variátor nebo stupňovou převodovku). V případě hybridu rekuperuje brzdnou práci a podle nastavené strategie rozhoduje o případném dobíjení. Integruje výslednou spotřebu primární energie. 1M6840770002

Str.


Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka - Kolokvium Božek 2010. Praha 7.12.2010.

Měrná energie energie v nádrži redukovaná na účinnost pohonu [kWh/kg]

Hmotnostní hustota energie v nádrži

1M6840770002

Str.



Accumulation of electric energy

1 kWh = 3.6 MJ NEDC consumption at wheels approx. 10 kWh/100 km, electric motor +accumulator 85%, i. e 12 kWh/100 km. For 120 Wh/kg i.e. 100 kg

Energy density [Wh/kg]

0.5 kWh: 50 g gasoline, 85 g chocolate, 3-17 kg batteries Energy density: 2015 130 Wh/kg - 2020 180 Wh/kg, Charging cycles 2015: 4500 – 2020: 5500, Cost 2015: 215 €/kWh - 2015: 140 €/kWh.

Specific Power [W/kg]

SI engine 6.4 dm3/100 km 1M6840770002

ICE 100 – 1000 W/kg Str.


Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka - Kolokvium Božek 2010. Praha 7.12.2010. Srovnání účinnosti využití energie v zásobníku na vozidle (TTW) pro evropský test spotřeby NEDC a jeho městskou část (UDC) i silniční část (EUDC). Hybridní a motorové pohony simulovány s přizpůsobením maximálnímu požadovanému výkonu (...x) a bez něho. Demonstrace reálného přínosu hybridizace rekuperací brzdné energie – účinné jen ve městech.

Energy consumption [MJ/km]

3.5

NEDC UDC EUDC

3 2.5

1,8 MJ/km=0,5 kWh/km=50 kWh/100 km

2 1.5 1

12 kWh/100 km 0.5

1M6840770002

Str.

TD

Px H

yb

yb IH

1. 9T D

Px PE M FC

PE M FC

2I C E H

I 2x TD

Px TD

I 1. 9T D

1. 2T

1. 6F SI

0



Srovnání celkových „účinností“ v evropském jízdním cyklu NEDC

Powertrain efficiency [%]

Powertrain efficiency in NEDC 50

Hybrid upper estimated eff. gain

45

Powertrain efficiency

40

7.0

35 30

5.0

25 3.4

20

5.3 4.2

3.7

37.6

34.4

15 10

6.7

6.2

28.0 19.0

36.0

35.5 30.4

29.5 22.4

20.9

5

1M6840770002

Str.

Px H yb TD

1. 9T D IH yb

Px FC PE M

FC PE M

2I C E H

2x TD I

TD Px

I 1. 9T D

1. 2T

1. 6F S

I

0


Emise CO2

Celkové Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka - Kolokvium Božek 2010. 7.12.2010. Well to Praha Tank to emise CO2 Tank

Wheels

[g/km] v NEDC

25-35

90-180

115-215

85-105

0

85-105

20-25

0

20-25

18-22

0

18-22

Konvenční vozidlo: Elektrické vozidlo: 27% Nukleární

EU-27 mix 2010 20% Obnovitelné 53% Fosilní 75% Nukleární

Francouzský mix 20% Obnovitelné 2010

Větší využití obnovitelných zdrojů

5% Fosilní 30% Photovoltaické články ve voze 60% Další obnovitelné zdroje 10% Fosilní

1M6840770002

Str.



Cenové porovnání ELV s konvenčními motory •

Cena výroby ELV se očekává vyšší než u konvenčních automobilů i po zahájení masové výroby

•

Provozní náklady jsou při současném stavu cen výrazně nižší u ELV

•

Do budoucna lze předpokládat uvalení spotřební daně na elektřinu určenou pro pohon automobilů

1M6840770002

Str.



23A101 Simulační výzkum specifik vozidla jako celku, distribuovaných zdrojů výkonu a palivových článků jako součásti hybridní hnací jednotky.

Dosažené výsledky a výstupy nabízené pro praxi Vytvořen program pro rychlý odhad účinnosti a hybridní strategie dané koncepce. Databáze ověřených vstupů pro motory, FC, baterie a řídicí zařízení. Publikace ANSYS Workshop (invited lecture) a Elektromobilita 2010. Příprava patentů na nekonvenční uspořádání.

1M6840770002

Str.


Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka - Kolokvium Božek 2010. Praha 7.12.2010. V02 Nové koncepce a optimalizace pohonových ústrojí s adaptivitou pro reakci na provozní podmínky 2.2 Elektrické přenosy s elektrickou a mechanickou hybridizací

Aktivita22A102: Návrh koncepce napájení a řízení vysokootáčkového elektrického pohonu turbokompresoru

i [A], |U| [p.u], f [Hz/100]

Výchozí stav: 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 0 -2

id [A] iq[A]

Navržen a realizován HW a SW pro regulaci momentu vysokootáčkového synchronního motoru s permanentními magnety 2,9 kW, proběhly úspěšné testy do 40 000 min-1.

|U| [p.u.] f [Hz/100]

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

Dynamika omezena nestabilitou pohonu při překročení zátěžného úhlu 90°.

1,6

t[s]

1M6840770002

Str.



Aktivita 25: Návrh koncepce napájení a řízení vysokootáčkového elektrického pohonu turbokompresoru

12

40000 30000

id

10

20000

iq

8

ud

6

10000 0 0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8 -10000

uq |U| n

-20000 -30000

4 2 0 -2 0

-40000

0,1

0,2

0,3

-4

t[s]

0,4

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0,5 -100 -200 -300

UDC[V], tg α*1000[-], n [H]z

50000

i[A]

12 10 8 6 4 2 0 -2 0 -4 -6 -8 -10

n[1/min]

i[A], u[p.u.]

Dosažené výsledky

id iq UDC tg α*1000 n

t[s]

1M6840770002

Str.



Aktivita 25: Návrh koncepce napájení a řízení vysokootáčkového elektrického pohonu turbokompresoru Dosažené výsledky

1M6840770002

Str.



Dosažené výsledky

1M6840770002

Str.

4 3,5 3 PMSM 2, UDC 1

2,5 t[s]

- Úspěšně implementována metoda omezení zátěžného úhlu - Zkrácení doby rozběhu na třetinu, z 0 na 42 000min-1 za cca. 490ms - Dobrá kvalita regulace při rozběhu, perioda regulace 66µs - Testy prováděny s tvrdým i měkkým zdrojem napětí - Využití energie dodané pro rozběh na cca. 70%

PMSM 2, UDC 2

2

PMSM 1, UDC 1

1,5

PMSM 1, UDC 2

1 0,5 0 0

2

4

6

8

10

12

iq[A]



Další postup řešení V roce 2011 bude pokračovat výzkum dynamických vlastností vysokootáčkového pohonu s PMSM. V roce 2010 probíhal výzkum jen v dynamických stavech naprázdno, v roce 2011 budou prováděny výzkumy s proměnnou kvadratickou zátěží v ustáleném stavu i v dynamických režimech.

Publikace NOVÁK, J. - ČEŘOVSKÝ, Z.: Electrical Drive for Compressor on Turbocharged Engine, Proceedings of konference Theoretical and Practical Issues in Transport , Univerzita Pardubice 2010, ISBN 978-80-7395-245-7 Připravovány publikace na IEEE – SSCI 2011, ICCEP 2011

1M6840770002

Str.


Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka - Kolokvium Božek 2010. Praha 7.12.2010. V02 Nové koncepce a optimalizace pohonných ústrojí s velkou adaptibilitou pro reakci na provozní podmínky 2.2 Elektrické přenosy s elektrickou a mechanickou hybridizací

Název aktivity 22A151, 23A151

Simulace reálného jízdního cyklu na fyzikálním modelu hybridního pohonu s elektrickým děličem výkonu

Provedení automatizovaných měření při zadaných jízdních Hlavní činnost cyklech vozidla. Vyhodnocování měření s ohledem na výzkum energetických toků v různých režimech pohonu. Popis aktivity SUPCA P

EC1

EC2

EC3

ELM CLUTCH SG PM

ACM1

TM

ACM2

base

Řídící přístroj, ze kterého se na základě komunikace s počítačem řídí experimentální pracoviště.

Fig.1. Power splitting drive using AC machines 1M6840770002

Str.


Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka - Kolokvium Božek 2010. Praha 7.12.2010. V02 Nové koncepce a optimalizace pohonných ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky 2.2 Elektrické přenosy s elektrickou a mechanickou hybridizací

Název aktivity Simulace reálného jízdního cyklu na fyzikálním modelu hybridního pohonu s elektrickým děličem výkonu

Postup řešení a příklady dílčích výsledků Program pro PC v jazyku Java - vstup jízdního profilu, rychlosti a parametrů vozidla - výpočet momentu a otáček - komunikace s řídicím počítačem Řídicí počítač - HW - Microchip Explorer16 doplněný o interface s měniči pohonů - SW jazyk C - komunikace s PC - řízení měničů poháněcího motoru, děliče výkonu, trakčního motoru a brzdy

1M6840770002

Str.




Dosažené výsledky a výstupy nabízené pro praxi

Otáčky, moment a momentové složky na výstupním hřídeli 1M6840770002

Microchip Explorer 16 a interface Str.




Další postup řešení - řízení otáček poháněcího motoru podle optimální charakteristiky výkon-otáčky spalovacího motoru - řízení stanoviště podle reálné jízdy zaznamenané GPS přijímačem (Herbertov)

1M6840770002

Str.



Název aktivity Specifikace akumulačních členů elektrické energie pro hybridní pohony.

Použití přídavného DC/DC měniče

Ovládací panel na obrazovce počítače T1 L

D1

D2

T2

Projektovaný zvyšovací koeficient je 1:10

Projektované schéma 1M6840770002

Str.



Název aktivity Specifikace akumulačních členů elektrické energie pro hybridní pohony. SU PC A P

EC 1

E C 2

EC 3

ELM C LU TC H A C M 1

SG PM

T M

A C M 2

base

Použití kompatibilního, pulsního usměrňovače

Při relativních otáčkách 120 1/min je možné udržet napětí v meziobvodu na žádané hodnotě. Zvyšovací koeficient by 1:16 1M6840770002

Str.



Dosažené výsledky a uplatnění výsledků Simulace reálného jízdního cyklu na fyzikálním modelu hybridního pohonu s elektrickým děličem výkonu

Specifikace akumulačních členů elektrické energie pro hybridní pohony. Byl vytvořen software a hardware pro řízení experimentálního pracoviště tak, aby bylo možno nastavovat laboratorní měření v libovolném rychlostním cyklu jaký se používá pro porovnávání vlastností vozidel v Evropě, USA, Japonsku a jinde. Tyto mezinárodně používané jízdní cykly platí pro jízdy po rovině. Vytvořené ovládání experimentálního pracoviště nadto umožňuje experimentovat na různých výškových profilech jízdní dráhy. Pro další pokusy byl sejmut výškový profil silnice mezi Prahou a Herbertovem a rychlost jízdy. Podle těchto dat bude řízeno soustrojí stanoviště.

1M6840770002

Str.



Dosažené výsledky a uplatnění výsledků Simulace reálného jízdního cyklu na fyzikálním modelu hybridního pohonu s elektrickým děličem výkonu

Specifikace akumulačních členů elektrické energie pro hybridní pohony.

V současné době probíhá v závodě STAVUS v Příbrami montáž těžkého důlního nakladače, kde byly některé výsledky práce Centra na ČVUT FEL K13114 použity. Cílem projektu je navrhnout a vyrábět pohonnou jednotku, která se skládá z primárního vznětového motoru, trakčního elektrického generátoru, trakčních motorů, elektronických měničů a trakční baterie.

1M6840770002

Str.



Důlní nakladač/dopravník. Hmotnost celkem 15t. Výkon primárního motoru 70kW. Rychlost 15km/hod. Maximální gradient jízdní dráhy 15stupňů. 1M6840770002

Str.



Primární motor 70kW s namontovaným trakčním elektrickým generátorem 1M6840770002

Str.



Nakládací lžíce. Hmotnost nákladu 15t. 1M6840770002

Str.



Přílohy. Uveřejněné publikace a obhájené dizertační práce Čeřovský Z., Mindl P.: SYSTÉMOVÉ A EKOLOGICKÉ ASPEKTY ROZVOJE ELEKTROMOBILITY. Konference Elektromobilita. Fakulta dopravní. Praha 2010. Mindl P., Čeřovský Z.: Trends in hybrid propulsion concepts. Proceedings of EPE-PEMC2010, Ohrid, Macedonia, paper Nr. 367. ISBN 978-1-4244-7854-5, IEEE Catal.Nr. CFP1034A-DVD Mašek P., Čeřovský Z.: A New Pulse Power Converter for a Hybrid Electric Drive Stand. Proceedings of EPE-PEMC2010, Ohrid, Macedonia, paper Nr 297. ISBN 978-1-4244-7854-5, IEEE Catal.Nr. CFP1034A-DVD Novák M., Novák J., Čeřovský Z., Uhlíř I.: Electric Power Splitter Pulse Rectifier Control in a Hybrid Propulsion System. Proceedings of EPE-PEMC2010, Ohrid, Macedonia, paper Nr. 134. ISBN 978-1-4244-7854-5, IEEE Catal.Nr. CFP1034A-DVD Čeřovský Z., Mindl P.: Special Three-Phase Double-Winding Alternator for Diesel Electric Hybrid Drive of Building Machines for Heavy Duty Conditions. SPEEDAM2010 Pisa, Italy 2010, IEEE Catalog Nr CFP1048A-CDR, ISBN: 978-1-4244-7919-1, Library of Congress: 2009906576

1M6840770002

Str.



Přílohy Uveřejněné práce a obhájené dizertační práce: •

Novák, M. - Novák, J. CONTROL OF AN ELECTRICAL POWER SPLITTER IN A HYBRID TRACTION PROPULSION SYSTEM In: Proceedings of The 9th International Conference Process Control 2010 [CD-ROM]. UniversitaPardubice, 2010, p. 1-9. ISBN 978-80-7399-951-3.

•

Novák, M. - Novák, J. - Čeřovský, Z. Pulse Rectifier Control for Electric Power Splitter of a Hybrid Propulsion System In: Proceedings of the 2010 IEEE International Symposium on Industrial Electronics [CD-ROM]. Bari: Politecnico di Bari, 2010, p. 1462-1467. ISBN 978-1-4244-6391-

•

Čeřovský,Z Mindl,P: Rozvoj elektromobility a ekologie. Konference Autosympo Brno 2010.

1M6840770002

Str.


Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka - Kolokvium Božek 2010. Praha 7.12.2010. V02 - Nové koncepce a optimalizace pohonových ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky. 2.3 - Koncepce zapojení a optimalizace distribuovaných zdrojů výkonu, tj spalovacích motorů včetně palivových článků a akumulátorů/kondenzátorů elektrické i mechanické energie

23A501 - Mapování a rozbor energetické náročnosti pomocných pohonů, volba koncepce regulace. 23A502 - Sestavení funkčního vzorku vozidla s energetickým managementem. Popis aktivity 23A501 - Ověření výkonových ztrát pomocných pohonů při instalaci na motorové brzdě. Ověření vlivu na spotřebu paliva. Ověření vlivu na výkonové a dynamické parametry. Analýza naměřených dat. Návrh regulačních strategií. 23A502 - Návrh a sestavení funkčního vzorku vozidla s energetickým managementem 1M6840770002

Str.



23A501 - Mapování a rozbor energetické náročnosti pomocných pohonů, volba koncepce regulace. Vlivy energetických odběrů na spotřebu paliva –volnoběžný režim automatických převodovek –běh chladícího ventilátoru –vliv elektrických odběrů –analýza ztrát dalších pomocných pohonů •servořízení •klimatizace •vzduchové hospodářství •...a další 1M6840770002

Str.



Příklad regulace běhu chladícího ventilátoru •měření vlivu běhu na spotřebu paliva •měření teplot •vliv na spotřebu cca 1.5 - 6 l/100 km dle typu motoru a vozidla

Tovární nastavení

Omezený chod

Regulace chodu

100

100

100

95

95

95

90

90

90

85

85

85

80

80

80

75

75

75

70

1M6840770002

SORT 2

70

SORT 2

Str.

70

SORT 2



23A502 - Sestavení funkčního vzorku vozidla s energetickým managementem •široké spektrum a variabilita pomocných pohonů a příslušenství •standardizovanost komponent a řídících systémů •dostupnost, aplikovatelnost a využitelnost v praxi •dobrá měřitelnost

autobus SOR EBN 10

1M6840770002

Str.



Dosažené výsledky a výstupy nabízené pro praxi 23A501 - Mapování a rozbor energetické náročnosti pomocných pohonů, volba koncepce regulace. Reálný vliv odběrů energie na spotřebu paliva Reálný vliv odběrů energie na spotřebu el. energie a dojezd elektromobilu Energetická bilance autobusu

23A502 - Sestavení funkčního vzorku vozidla s energetickým managementem Elektrobus, vozidlo určené pro zkoušky a testy dalšího příslušenství a regulací

1M6840770002

Str.



Děkuji za pozornost.

1M6840770002

Str.


23A101 Simulační výzkum specifik vozidla jako celku, distribuovaných zdrojů výkonu a palivových článků jako součásti hybridní hnací jednotky

Recommend Documents