ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ Fakulta Dopravní

Bc. Filip Korsa

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce 2011

Vedoucí práce: prof. Dr. Ing. Miroslav Svítek

Prohlášení Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o etické přípravě vysokoškolských závěrečných prací. Nemám závažný důvod proti užívání tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona č.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon). V Praze dne 5. 5. 2011

Bc. Filip Korsa

Poděkování Děkuji panu prof. Dr. Ing. Miroslavu Svítkovi za všestrannou pomoc a možnost realizace projektu Experimentálního ověření jízdních parametrů lehkého elektronického vozidla. Děkuji také

panu

doc.

Ing.

Michalovi

Mickovi,

CSc.

za

jeho

pomoc

při

posuzování

napjatostníanalýzy konstrukce a panu Ing. Jindřichovi Sadilovi, Ph.D. za konzultace související s vyhodnocováním jízdních charakteristik vozidla. Rád bych také poděkoval své rodině, svým rodičům za podporu při studiu a za vytvoření potřebného zázemí.

Abstrakt Cílem projektu je navrhnout a realizovat stavbu lehkého vozidla s hybridním pohonem kombinujícího pohon lidskou silou s elektromotorem napájeným konvenčním typem baterií a ověřit jeho jízdní vlastnosti. Konstrukce vozidla předpokládá uspořádání se čtyřmi koly a je navržena pro jednoho jezdce, tak aby byly splněny podmínky stanovené vyhláškou Ministerstva Dopravy a Spojů o Provozu na veřejných komunikacích (č.102/1995Sb). Pozice jezdce je horizontální, jezdci tedy poskytuje větší komfort pro dlouhé trasy a lepší aerodynamiku vozidla. Možnosti uspořádání elektropohonu, resp. kombinace elektropohonu s pohonem lidskou silou, jsou v práci blíže rozepsány a zhodnoceny. Během realizace vozidla byl jako elektropohon zvolen stejnosměrný motor pohánějící levou zadní poloosu, zatímco pravá poloosa je poháněna přenosem momentu vyvozeného šlapáním jezdce. Pro ověření jízdních vlastností jsou navrženy a realizovány jízdní testy, jejichžvýsledkem je stanovení míry asistence motoru při projíždění různých výškových profilů trasy a energetická náročnost provozu vozidla. Závěr práce je věnován doporučením pro další vývoj tohoto typu vozidla.

Klíčová slova Pohon lidskou silou, lehokolo, tříkolka, čtyřkolka, šlapací auto, velomobil, paralelní hybridní pohon, sériový hybridní pohon, asistenční koeficient elektromotoru.

Abstract The purposeof this study was to design and realize the construction of light hybrid vehicle that combines human power and electromotor power with usage of conventional type of batteries and to investigate its riding characteristics. Vehicle design assumes four-wheeled construction and is proposed for one driver in accordance with conditions given by Ministry of Transport prescription of traffic on public roads (num.102/1995Sb). The position of the driver is horizontal whatprovides himhigher comfort for long drives and reduces vehicle aerodynamicdrag. Layout options of the electromotorand human power combination are described closer and evaluated in this thesis. During the design process the brushgeared DC motor was chosen assuitable fordriving the left rear driveshaft, while the right half-shaft is driven by riders pedalling. To verify the driving characteristics driving tests are designed and performed. The results of these tests were to determine the level of motor assistance when driving various elevation (altitude) profiles of the track and energetic demands of the vehicle operation. The conclusion is devoted to recommendations for further development of this kind of vehicle based on examined riding characteristics.

Key words Human electro hybrid, recumbent bike, tricycle, quad-cycle, pedal-car, velomobil, parallel hybrid drive, series hybrid drive, motor assistance factor.

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa

Obsah OBSAH

1

SEZNAM OBRÁZKŮ

4

SEZNAM TABULEK

7

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK

9

ÚVOD

10

1

ANALÝZA SOUČASNÉHO STAVU

11

1.1

Historický vývoj HPV

11

1.2

Hybridní vozidla s pohonem lidskou silou

14

2

SYSTÉM HYBRIDNÍHO VOZIDLA

20

2.1

Paralelní hybridní pohon

20

2.2

Sériový hybridní pohon

21

2.3

Komponenty hybridního systému s pohonem lidskou silou

23

2.3.1

Pohon lidskou silou, specifikace

23

2.3.2

Elektromotor

25

2.3.3

Baterie

30

2.3.4

Ovládací prvky

34

3

NÁVRH VOZIDLA

36

3.1

Globální požadavky na konstrukci, specifikace zadání

36

3.2

Konstrukční řešení

36

3.2.1

Rám, podvozek

36

3.2.2

Ergonomie

37

3.2.3

Řízení vozidla – geometrie řízení

39

1

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa 3.2.4

Brzdová soustava

40

3.2.5

Hnací ústrojí

40

3.2.6

Vedení řetězu

41

3.2.7

Kola

41

3.3

Pevnostní analýza

41

3.3.1

Materiál rámu

41

3.3.2

Mesh

42

3.3.3

Zatížení a okrajové podmínky

42

3.3.1

Analýza posuvů

42

3.3.2

Napěťová analýza

43

3.4

Dynamika vozidla

44

3.4.1

Jízdní odpory

44

3.4.2

Výkonová analýza

46

3.4.3

Návrh hnacího ústrojí

47

3.4.4

Odhad dojezdu, propočet kapacity baterií

48

3.5

Bezpečnostní aspekty

50

3.5.1

Provedení konstrukce

50

3.5.2

Osvětlení vozidla

50

3.5.3

Kapotáž

50

3.5.4

Helma a nášlapné pedály

50

3.5.5

Výhled do budoucna

50

4

REALIZACE VOZIDLA

52

4.1

Výroba vozidla

52

4.2

Elektromotor

54

4.3

Kontroler

57

4.4

Akumulátory

57

4.5

Finanční kalkulace projektu

59

5

OVĚŘENÍ JÍZDNÍCH VLASTNOSTÍ VOZIDLA

5.1

Testovací trasa

61 61

2

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa 5.2

Metodika hodnocení vozidla

62

5.3

Způsob měření

63

5.3.1

Měření napětí

64

5.3.2

Měření proudu

65

5.3.3

Wattmetr

65

5.3.4

Měření kadence

66

5.3.5

Měření síly působící na pedál

66

5.3.6

GPS

69

5.3.7

Tepová frekvence

69

5.4

Zpracování dat

70

5.5

Výsledky měření

73

6

ZÁVĚRY A DOPORUČENÍ PRO DALŠÍ VÝVOJ

6.1

Závěr

80

6.2

Doporučení pro další vývoj

81

CITOVANÁ LITERATURA

82

PŘÍLOHA A – ELEKTROMOTOR, MĚŘENÍ ELEKTROMOTORU

85

PŘÍLOHA B – ZAPOJENÍ KONTROLERU MOTORU

88

PŘÍLOHA C – UKÁZKA VÝPOČETNÍHO ALGORITMU 1

89

PŘÍLOHA D – UKÁZKA VÝPOČETNÍHO ALGORITMU 2

92

3

80


Seznam obrázků OBRÁZEK 1 (A) HISTORICKÁ LEHOKOLA (1921-33) V MUZEU VELORAMA (2); (B) DOBOVÁ FOTOGRAFIE: FRANCIS FAURE PŘEKONÁVÁ SVĚTOVÝ REKORD V ROCE 1933 (3)................................................................. 11 OBRÁZEK 2 (A) MOCHETŮV VELOMOBIL, 1945 (4); (B) DOBOVÁ FOTOGRAFIE – ZÁVODY VELOMOBILŮ, 1925 (5) ...................................................................................................................................... 12 OBRÁZEK 3 (A) ŠLAPACÍ ČTYŘKOLKA S POHONEM VŠECH 4 KOL – TRAILCART(6); (B) ŠLAPACÍ ČTYŘKOLKA PRO 4 ŠLAPAJÍCÍ, MODEL DELFINO – SURREYCARS (7) ............................................................................ 13

OBRÁZEK 4 (A) NEJRYCHLEJŠÍ HPV VOZIDLO NA 200M(8);(B) NEJRYCHLEJŠÍ VOZIDLO V ZÁVODĚ NA 24 HODIN – CRITICAL POWER (9)............................................................................................................... 13 OBRÁZEK 5: SKLÁDACÍ ELEKTROKOLO GOCYCLE S BATERIÍ V RÁMU A JEDNOSTRANNÝM UCHYCENÍM KOL (12) .. 14 OBRÁZEK 6 (A) SINCLAIR C5 MEZI OSOBNÍMI VOZIDLY; (B) KONSTRUKCE SINCLAIR C5 (13) .......................... 15 OBRÁZEK 7: TWIKE V RŮZNÉM BAREVNÉM PROVEDENÍ (14)................................................................. 16 OBRÁZEK 8: PARALELNÍ POHON VOZIDLA TWIKE (14) ......................................................................... 16 OBRÁZEK 9: ČESKÉ OBOJŽIVELNÉ VOZIDLO VLASTNÍ VÝROBY (16) ............................................................ 17 OBRÁZEK 10: TŘÍKOLKA VYBAVENÁ SÉRIOVÝM POHONEM SPOLEČNĚ SE SVÝM AUTOREM A. FUCHSEM (18) (19) ........................................................................................................................................... 18 OBRÁZEK 11: PEDÁLOVÝ GENERÁTOR 2004/05 (18) (19) ................................................................... 18 OBRÁZEK 12: URBAN QUADRACYCLE (18) (19) .................................................................................. 19 OBRÁZEK 13: KONSTRUKCE A KONCEPT SPOLEČNOSTI HUMANCAR – „VESLOVACÍ VOZIDLO“(21).................. 19 OBRÁZEK 14: PARALELNÍ HYBRIDNÍ POHON (23) ................................................................................. 20 OBRÁZEK 15: SÉRIOVÝ HYBRIDNÍ POHON (23) .................................................................................... 22 OBRÁZEK 16 (A) ZÁVISLOST TEPOVÉ FREKVENCE NA ODEVZDÁVANÉM VÝKONU; (B) VZNIK KYSELINY MLÉČNÉ V ZÁVISLOSTI NA TEPOVÉ FREKVENCI (20) .................................................................................... 24

OBRÁZEK 17: PRACOVNÍ OBLAST ČLOVĚKA, ZÁVISLOST VYVOZENÉHO MOMENTU NA OTÁČKÁCH (20) ............. 24 OBRÁZEK 18: VYSVĚTLENÍ PRINCIPU DC MOTORU S PERMANENTNÍMI MAGNETY (28) ................................ 26 OBRÁZEK 19: ČTYŘ-PÓLOVÝ DC MOTOR, ČÁRKOVANÉ ČÁRY UKAZUJÍ SMĚR TOKU PROUDU, KONVENCE SMĚRU VEDENÍ PROUDU

(28) ............................................................................................................. 26

OBRÁZEK 20: ZÁVISLOST MOMENTU NA RYCHLOSTI (28)....................................................................... 28 OBRÁZEK 21: OBVOD PRO ZAPOJENÍ MOTORU S ODPOREM PRO VYUŽITÍ ELEKTRODYNAMICKÉ BRZDY (28)....... 28 OBRÁZEK 22: PRINCIP BEZKARTÁČOVÉHO DC MOTORU (28) ................................................................. 30 OBRÁZEK 23: USPOŘÁDÁNÍ BLDC MOTORU SE TŘEMI CÍVKAMI (28) ....................................................... 30 4


OBRÁZEK 24 (A) KONSTANTNÍ VYBÍJENÍ TYPICKÉ BATERIE (23); (B) ODLIŠNÉ VYBÍJECÍ PROUDY, VYBÍJECÍ CHARAKTERISTIKA SLA BATERIE (VIZ PŘÍLOHA NA CD, MATERIÁL OD VÝROBCE) ................................... 31

OBRÁZEK 25 (A) (B): PAS – SNÍMÁNÍ RYCHLOSTI OTÁČENÍ KLIK (29); (C) PAS – SNÍMÁNÍ MOMENTU (30)..... 35 OBRÁZEK 26: NOSNÝ RÁM VOZIDLA [AUTOR]...................................................................................... 37 OBRÁZEK 27: APARATURA PRO MĚŘENÍ ZÁVISLOST VÝKONU JEZDCE NA POZICI PEDÁLŮ (ÚHEL 75°) (31)......... 38 OBRÁZEK 28: MODEL SEDLA – SKOŘEPINA [AUTOR] ............................................................................. 38 OBRÁZEK 29: SCHÉMA ACKERMANOVY GEOMETRIE ŘÍZENÍ (33) ............................................................. 39 OBRÁZEK 30: DETAIL ULOŽENÍ PŘEDNÍCH KOL, REJDOVÝ ČEP, TÁHLA ŘÍDÍCÍ TYČE [AUTOR] ............................ 40 OBRÁZEK 31: MODEL VOLANTU [AUTOR]........................................................................................... 40 OBRÁZEK 32 (A) BUBNOVÉ BRZDY STURMY ARCHER (36), (B) MODEL BRZDOVÝCH PÁK [AUTOR] .................. 40 OBRÁZEK 33: ZATÍŽENÍ KONSTRUKCE A JEJÍ OKRAJOVÉ PODMÍNKY V PROSTŘEDÍ ANSYS WORKBENCH 12.1 [AUTOR] ............................................................................................................................... 43 OBRÁZEK 34: DEFORMACE RÁMU [AUTOR] ........................................................................................ 43 OBRÁZEK 35: NAPĚŤOVÁ ANALÝZA RÁMU [AUTOR] .............................................................................. 43 OBRÁZEK 36: SÍLY PŮSOBÍCÍ NA POHYBUJÍCÍ SE VOZIDLO (23)................................................................. 44 OBRÁZEK 37: LOKALIZACE ANALYZOVANÉ TRASY [BIKEMAP.NET] ............................................................. 48 OBRÁZEK 38: MODEL VOZIDLA VE 3D [AUTOR] ................................................................................... 53 OBRÁZEK 39 REALIZOVANÉ VOZIDLO V POHLEDU (A) ZEPŘEDU, (B) ZE ZADU [AUTOR] ................................. 54 OBRÁZEK 40: TECHNICKÉ VÝKRESY ELEKTROMOTORU............................................................................ 55 OBRÁZEK 41: MECHANICKÉ UPEVNĚNÍ ELEKTROMOTORU (1), PASTORKY HNANÝCH POLOOS (2 A 3) [AUTOR].. 55 OBRÁZEK 42: EFEKTIVITA ELEKTROMOTORU [AUTOR] ........................................................................... 56 OBRÁZEK 43: KONTROLER ELEKTROMOTORU [DOKUMENTACE ZAKOUPENÉHO PRODUKTU, PŘÍLOHA CD] ........ 57 OBRÁZEK 44: SEJMUTÉ PRŮBĚHY VSTUPNÍHO A VÝSTUPNÍHO NAPĚTÍ A PROUDU NA KONTROLERU (A) PŘI CHODU NAPRÁZDNO, RESP. (B) PŘI NEZATÍŽENÉM CHODU MOTORU. OZNAČENÍ JEDNOTLIVÝCH KANÁLŮ: ORANŽOVÁ

– VSTUPNÍ NAPĚTÍ, ZELENÁ – VÝSTUPNÍ NAPĚTÍ, MODRÁ – VSTUPNÍ PROUD, RŮŽOVÁ – VÝSTUPNÍ PROUD. 57 OBRÁZEK 45: (A) VYBÍJECÍ CHARAKTERISTIKA VYBRANÝCH BATERIÍ, (B) NABÍJECÍ CYKLUS OLOVĚNÝCH AKUMULÁTORŮ (41)............................................................................................................... 58

OBRÁZEK 46: TESTOVACÍ TRASA S VYZNAČENÝMI ÚSEKY [AUTOR]............................................................ 61 OBRÁZEK 47: VÝŠKOVÝ PROFIL TRASY S VYZNAČENÍM SLEDOVANÝCH ÚSEKŮ [AUTOR].................................. 62 OBRÁZEK 48: TABULKA ZÁTĚŽOVÝCH PÁSEM(42) ................................................................................ 63 OBRÁZEK 49: (A) MULTIFUNKČNÍ KARTA NI USB 6009(43) (B) SPECIÁLNÍ KRYT KARTY S BANANA KONEKTORY [AUTOR] ............................................................................................................................... 64 5


OBRÁZEK 50: ULOŽENÍ MĚŘÍCÍ TECHNIKY V ZAVAZADLOVÉM BOXU [AUTOR] .............................................. 64 OBRÁZEK 51: SCHÉMA DĚLIČE NAPĚTÍ [AUTOR] ................................................................................... 65 OBRÁZEK 52: PROUDOVÁ SONDA TELCOM HT300M [AUTOR] .............................................................. 65 OBRÁZEK 53: TURNIGY 130A WATT METER AND POWER ANALYZER [HOBBYKING.COM] ........................... 66 OBRÁZEK 54 (A) MAGNETICKÝ JAZÝČKOVÝ KONTAKT, (B) ZAPOJENÍ [AUTOR]............................................. 66 OBRÁZEK 55: SCHÉMA ZAPOJENÍ ZESILOVACÍHO OBVODU TENZOMETRICKÉHO SENZORU [AUTOR] .................. 67 OBRÁZEK 56: KALIBRACE SENZORU [AUTOR] ....................................................................................... 68 OBRÁZEK 57 (A) REALIZACE OBVODU NA UNIVERZÁLNÍM PÁJIVÉM POLI, (B) UCHYCENÍ NA PEDÁL, (C) DEFORMAČNÍ ČLEN [AUTOR]........................................................................................................................ 68

OBRÁZEK 58 (A) GPS 18X USB, (B) GARMIN 60CSX [GARMIN] ........................................................... 69 OBRÁZEK 59: PULSMETR CICLO PULS CS8 ......................................................................................... 69 OBRÁZEK 60: UKÁZKA ZAZNAMENANÉHO LOGU (SHORA: PRŮBĚH NAPĚTÍ, KADENCE ŠLAPÁNÍ, NADMOŘSKÁ VÝŠKA, PŮSOBÍCÍ SÍLA, PRŮBĚH ODEBÍRANÉHO PROUDU, RYCHLOST VOZIDLA) ..................................... 70

OBRÁZEK 61 (A) EXPORTOVANÝ PRŮBĚH RYCHLOSTI, (B) VYHLAZENÝ PRŮBĚH RYCHLOSTI [AUTOR] ................ 71 OBRÁZEK 62: VÁŽENÍ SÍLY PŮSOBÍCÍ NA PEDÁL (A) POMOCÍ SINUSOIDY, (B) POMOCÍ TROJÚHELNÍKOVÉ FUNKCE. 71 OBRÁZEK 63: UKÁZKY ZAZNAMENANÉHO LOGU OKAMŽITÉ SÍLY PŮSOBÍCÍ NA PEDÁL PRO (A) BĚŽNÉ JÍZDNÍ KOLO, (B) PRO KONSTRUOVANÉ VOZIDLO PŘI NIŽŠÍ RYCHLOSTI, (C) PRO VOZIDLO PŘI VYŠŠÍ RYCHLOSTI [AUTOR] .. 73 OBRÁZEK 64: POROVNÁNÍ ENERGETICKÉ NÁROČNOSTI (A) VOZIDLA VYBAVENÉHO TRAKCÍ (9:15-II), (B) BĚŽNÉHO JÍZDNÍHO KOLA (MAXIMÁLNÍ VÝKON JEZDCE) [AUTOR] .................................................................... 74

OBRÁZEK 65: KUMULATIVNÍ ENERGIE DODANÁ JEZDCEM VOZIDLU PŘI MĚŘENÍ 9:15-2 [AUTOR] ................... 75 OBRÁZEK 66: GRAF OKAMŽITÉHO VÝKONU ELEKTROMOTORU PRO MĚŘENÍ 9:15-II, ROZDĚLENÍ NA MĚŘENÉ ÚSEKY [AUTOR] ...................................................................................................................... 77

OBRÁZEK 67: POROVNÁNÍ OKAMŽITÉ RYCHLOSTI (A) VOZIDLA 9:15 A (B) VOZIDLA 9:20 [AUTOR]................. 78

6


Seznam tabulek TABULKA 1: SROVNÁNÍ NEJČASTĚJI POUŽÍVANÝCH BATERIÍ V APLIKACÍCH LEV, HEH (28) ............................ 34 TABULKA 2: HODNOTY ODCHYLEK REJDOVÉHO ČEPU A KOL (35) ............................................................. 39 TABULKA 3: VLASTNOSTI POUŽITÉ SLITINY PRO VÝROBU RÁMU (37)......................................................... 42 TABULKA 4: VLASTNOSTI SÍTĚ [AUTOR] .............................................................................................. 42 TABULKA 5: HODNOTY CD, S A EFEKTIVNÍ ČELNÍ PLOCHY (38)................................................................. 45 TABULKA 6: HODNOTY CR (38)(39).................................................................................................. 45 TABULKA 7: VÝKONY P [W] PRO PŘEKONÁNÍ ODPORU VZDUCHU [AUTOR] ................................................ 47 TABULKA 8: REÁLNÝ VÝKON P [W] POTŘEBNÝ PRO PŘEKONÁNÍ ODPORU PROTI STOUPÁNÍ [AUTOR] ............... 48 TABULKA 9: REÁLNÝ VÝKON P [W] POTŘEBNÝ PRO AKCELERACI NA URČITOU RYCHLOST ZA URČITÝ ČAS [AUTOR] ........................................................................................................................................... 48 TABULKA 10: POROVNÁNÍ VÝŠKOVÝCH PROFILŮ TESTOVACÍHO OKRUHU A REÁLNÉ TRASY ............................. 49 TABULKA 11: MODELOVÝ VÝPOČET POŽADOVANÉHO VÝKONU VOZIDLA [AUTOR] ....................................... 49 TABULKA 12: HLAVNÍ PARAMETRY VOZIDLA [AUTOR]............................................................................ 52 TABULKA 13: CHARAKTERISTIKY ELEKTROMOTORU [UNITEMOTOR] ......................................................... 55 TABULKA 14: ZÁTĚŽOVÁ CHARAKTERISTIKA MOTORU PŘI U = 36V; VÝSTUPNÍ HODNOTY PRO PŘEVODOVÝ POMĚR I = 9:15 A I = 9:20 (MIN – TOČIVÝ MOMENT MOTORU, RPM – OTÁČKY ELEKTROMOTORU, IZDROJ – ODEBÍRANÝ PROUD, PIN – TEORETICKÝ VÝKON, POUT – REÁLNÝ VÝKON, N – ÚČINNOST, MOUT – PŘEPOČTENÝ TOČIVÝ MOMENT NA ZADNÍ POLOOSE, RPMKOLO – RYCHLOST OTÁČENÍ ZADNÍHO 20” KOLA, VKOLO – RYCHLOST POHYBU) [AUTOR] .................................................................................................................. 56

TABULKA 15: SROVNÁNÍ PARAMETRŮ BATERIÍ DOSTUPNÝCH NA ČESKÉM TRHU .......................................... 58 TABULKA 16: CELKOVÁ FINANČNÍ BILANCE.......................................................................................... 60 TABULKA 17: PARAMETRY JEDNOTLIVÝCH ÚSEKŮ TRASY [AUTOR] ............................................................ 61 TABULKA 18: KALIBRACE SENZORU MĚŘENÍ SÍLY PŮSOBÍCÍ NA PEDÁL [AUTOR]............................................ 68 TABULKA 19: MODELOVÝ VÝPOČET VÝKONŮ POTŘEBNÝCH PRO POHON VOZIDLA, ENERGETICKÁ NÁROČNOST VOZIDLA (VAVG-PRŮMĚRNÁ RYCHLOST, VMAX-MAXIMÁLNÍ RYCHLOST, T-ČAS, PCL-VÝKON PRO STOUPÁNÍ,

PA-VÝKON PRO PŘEKONÁNÍ ODPORU VZDUCHU, PROLL-VYKON PRO PŘEKONÁNÍ VALIVÉHO ODPORU, PACCVÝKON PRO AKCELERACI, PCELK-CELKOVÝ PRŮMĚRNÝ VÝKON, WCELK-CELKOVÁ ENERGIE PRO TESTOVACÍ TRASU, SPOTŘEBA) [AUTOR] ..................................................................................................... 74

TABULKA 20: POROVNÁNÍ VÝKONU JEZDCE PRO VOZIDLO BEZ TRAKČNÍ VÝBAVY, S NÍ A PRO BĚŽNÉ JÍZDNÍ KOLO [AUTOR] ............................................................................................................................... 75 7


TABULKA 21: VÝSLEDKY TESTOVÁNÍ VOZIDLA VYBAVENÉHO ELEKTRICKOU TRAKCÍ [AUTOR] ........................... 77 TABULKA 22: POROVNÁNÍ VYNALOŽENÉ ENERGIE JEZDCE PŘI JÍZDĚ NA JÍZDNÍM KOLE A NA VOZIDLE VYBAVENÉHO ELEKTROMOTOREM [AUTOR] .................................................................................................... 78

TABULKA 23: POROVNÁNÍ AKCELERACE VOZIDLA 9:15 A 9:20 [AUTOR] ................................................... 78 TABULKA 24: HODNOTY TEPOVÉ FREKVENCE JEZDCE PRO JEDNOTLIVÉ JÍZDY [AUTOR] .................................. 79

8


Seznam použitých zkratek BLDC Brushless DC motor BMS ______Battery Management System CVT ______Continues Variable Transmission HPV ______Human Powered Vehicle HPH ______Human Powered Hybrid HEH ______Human-Electro Hybrid HEHD _____Human-Electro Hybrid Drive HEPAV ____Human Powered Electric Amphibious Vehicle ICE _______Internal Combustion Engine LEV_______Light Electric Vehicle NiMH _____Nickel MetalHydride PAS ______Pedal Assist System PH _______Parallel Hybrid SH _______Serial Hybrid

9


Úvod Jedním z rozhodujících faktorů ovlivňujících poslední vývojové trendy dopravních prostředků je ekologie provozu a jejich šetrnost vůči životnímu prostředí. Snažíme se neustále zvyšovat efektivitu využití energetických zdrojů vozidel astále častěji se na silnicích setkáváme s hybridními vozidly, kombinujícími více typů pohonů. Jejich kombinace je výhodná právě z hlediska optimalizace spotřeby, maximalizace dojezdu a minimalizace emisí. Jednou z možností je využít k pohonu lehkého vozidla také lidské síly, řidiče nebo celé jeho posádky. Dostáváme se tak k novému termínu známému v anglické literatuře jako Human Powered Vehicle (HPV), resp. ještě spíše Human Powered Hybrid (HPH). Takový dopravní prostředek je ideálním spojením ekologického a přitom poměrně rychlého, tedy efektivního způsobu dopravy, ale může být také zábavnou formou cvičení či relaxace v otevřené krajině. Ukazuje se, že horizontální poloha a pravidelný rytmus šlapání jezdce jsou vhodnéi pro lidi s kardiovaskulárními chorobami, komfort jízdy je nesrovnatelný s pozicí jezdce na obyčejném kole a umožňuje i několikahodinové jízdy. Také jízdní odpory hrají poměrně zásadní roli. Při výběru tématu své diplomové práce jsem vycházel z výše uvedených sociálních aspektů, totiž trendů ekologické dopravy a s tím související pravděpodobností rozšíření diskutovaného typu vozidla.Prvotním impulsem byl ale můj dlouholetý sen postavit vlastní šlapací čtyřkolku, na které bude možné cestovat napříč Evropou, světem.

10


1 Analýza současnéhostavu 1.1 Historický vývoj HPV Od sestrojení prvního tzv. bezpečného kola (předchůdcem bezpečného kola byla tzv. kola vysoká s průměrem předního kola až 1,5m) v roce 1885 panem Johnem Kempem Starleyem1 byl jeho způsob pohonu, tedy přenos hnacího momentu z pedálů pomocí řetězu na zadní kolo, adaptován a využit pro řadu konstrukcí jiné koncepce. Z 20. a především z let 30. let minulého století jsou dochovány fotografie prvních lehokol2, v některých případech vybavených dokonce volantem místo klasických řídítek. Pozice jezdce je na těchto kolech horizontální, což má své výhody v komfortu posedu při jízdě, ale zejména také v lepší aerodynamice. Lehokola byla vyvíjena a nabízena ve Francii a Německu přibližně od roku 1914 (1). Zásadní okamžik přišel v roce 1933, kdyFrancis Faure překonal 20 let starý rychlostní rekord v hodinovém závodě a na pařížském velodromu dosáhl hodinové průměrné rychlosti přes 45km/h na lehokole francouzského konstruktéra Charlese Mocheta (Obrázek 1). Událost okamžitě upoutala veškerou pozornost médií a začaly se objevovat spekulace o tom, co ještě je kolo a co ne. V roce 1934 Mezinárodní Cyklistická Asociace (Union Cycliste Internationale - UCI) vydala prohlášení o konkrétních rozměrechzávodních kol. Konstrukce lehokola svou podstatou nemohla splnit takto definované parametry a lehokolo nemohlo proto být dále profesionálně nasazováno do závodů, což značně zpomalilo jeho další vývoj.

(a)

(b)

Obrázek 1 (a)Historická lehokola (1921-33) v muzeu Velorama (2);(b)dobová fotografie: Francis Faure překonává světový rekord v roce 1933 (3)

Zmíněný konstruktér Charles Mochet se nezabýval jen návrhy jednostopých lehokol, ale věnoval se i konstrukci vícestopých velomobilů3 (Obrázek 2). Z počátku byly jen s pohonem lidskou silou, později však motorizovány a jejich vývoj pokračoval až do roku 1960. S motorovými velomobily se ve Francii mohlo jezdit bez řidičského průkazu, ale změna

1

Ačkoli roku 1974 byla při renovaci spisu Codex Atlanticus Leonarda da Vinciho objevena skica stroje, který se svou konstrukcí podobá dnešnímu jízdnímu kolu. Skica pochází z roku 1493, její autorství a původ jsou však sporné. Kolo bylo poháněno pomocí klik a síla byla přenášena na zadní kolo řetězem. 2 V anglické literatuře recumbent bike. 3 Také velocar.

11

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa zákona právě v roce 1960, která toto nepovolovala, znamenala výrazné snížení poptávky a ukončení jejich výroby.

(a)

(b)

Obrázek 2(a) Mochetův velomobil, 1945 (4); (b) Dobová fotografie – závody velomobilů, 1925 (5)

Velomobilemrozumíme vozidlo poháněné lidskou silou opatřené karosérií pro zajištění ochrany jezdce před nepříznivým počasím a zároveň zlepšující aerodynamiku vozidla. Nejčastěji vychází z konstrukce tříkolky (tadpole i delta konstrukce4), v současné době též z konstrukce lehokola, méně často pak jako čtyřkolka (quad),zejména z důvodu složitější konstrukce. Tří-kolové vozidlo je samo o sobě stabilní (rovina je dána třemi body), při konstrukci typu tadpolese hnací moment přenáší na jedno zadní kolo a není nutné řešit problém diferenciálu. V případech s nižší provozní rychlostí (hračky, tříkolky pro nemohoucí) je poháněno pouze jedno zadní kolo. Konstrukce se čtyřmi koly vyžaduje navícřešení přenesení krouticího momentu působícího na rám. V případě lehkého šlapacího vozidla je možné rám postavit dostatečně pružný (podobně jako závodní motokáry) nebo jej osadit otočným roštem umožňujícím naklápění přední, resp. zadní osy či vozidlo odpružit například nápravami MacPherson. Neustále se setkáváme s novými konstrukcemi vozidel např. s pohonem všech čtyř kol (Obrázek 3) vhodných do terénu opatřených dvěma diferenciály (německý výrobce TrailCart) či kontinuální převodovkou (CVT) nebo vozidel pro rekreační účely pro dva, čtyři, šest i více šlapajících pasažérů. Během řešení této diplomové práce se podařilo dohledat podrobnější informace o přibližně 40 výrobcích5 tříkolých a čtyřkolýchvozidel na lidský pohon, jejichž podrobnější analýza by vydala na samostatnou práci, přesto jsou širší veřejnosti takováto vozidla neznámá. V porovnání s normálními koly se jich vyrábí nesrovnatelně méně a i cena se leckdy pohybuje kolem ceny ojetého automobilu.

4 5

Konstrukce tadpole – 2 kola vpředu, delta – 2 kola vzadu. Máme na mysli výrobce s malosériovou výrobou a webovou prezentací, nikoli tzv. homebuildy.

12


(a)

(b)

Obrázek 3 (a) Šlapací čtyřkolka s pohonem všech 4 kol – TrailCart(6); (b) Šlapací čtyřkolka pro 4 šlapající, model Delfino – SurreyCars (7)

Novodobá kapotovaná lehokola, svým tvarem připomínajícím raketu, se v posledních letech předhánějí v maximálních dosažených rychlostech, které stoupají až k obdivuhodným 130 km/h (80mph).K posouvání hranice lidských možností a možností HPV přispívá každoročně konaný závod Battle Mountain WHPSC (World Human Powered Speed Challenge) v Nevadě. Na následujícím obrázku (Obrázek 4) je zobrazeno současné nejrychlejší vozidlo poháněné lidskou silou, které na vzdálenost 200m dosáhlo rychlosti 82.819mph6 v roce 2009 (8). Uveďme ještě rekordmana v závodě na 24 hodin, Grega Kolodziejzyka, který s vozidlem Critical Power urazil 1041 km (647 mil) za jediný den(9). Český rekord na 24 hodin se blíží 700 km za den v závodě K24 (10).

(a)

(b)

Obrázek 4(a) nejrychlejší HPV vozidlo na 200m(8);(b) nejrychlejší vozidlo v závodě na 24 hodin – Critical Power (9)

Ve výše uvedených příkladech jsme sledovali, jak efektivně lze využít lidské síly za účelem přepravy. Pokud navíc takové vozidlo vybavíme přídavným motorem (elektrickým nebo spalovacím) a zůstane-li zachována jeho nízká hmotnost, získáme velmi ekologický dopravní prostředek vhodný pro každodenní dojíždění do práce, pojezdy po městě, ale i pro celodenní (i vícedenní) výlety do přírody. V této práci se budeme zabývat kombinací lidské

6

Řidičem byl Sam Whittingham.

13

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa síly a elektromotoru a pro takové vozidlo budeme používat termín Human-Electro Hybrid (HEH).

1.2 Hybridní vozidla s pohonem lidskou silou Nejjednodušším a také nejrozšířenějším HEH vozidlem je elektrokolo. Trh s elektrokoly výrazně expanduje od roku 1998zejména v Evropě,v „cyklistických“ velmocích jako je Holandsko, kde elektrokola nyní tvoří celou třetinu trhu. Odborníci na toto průmyslové odvětví očekávají podobné trendy i v Německu, Francii a v Itálii. Jejich enormní nárůst je dán lepší dostupností jednotlivých komponent pohonu (elektromotor, kontroler, baterie) nejčastěji vyráběných v Číně, ve které podle současných odhadů (11) jezdí na 120 milionů elektrokol. Vysoké objemy výroby snížily náklady na výrobu a zvýšily dostupnost i poptávku. Elektrokolo se hodí zejména do města, čemuž odpovídá nejčastěji deklarovaný dojezd s příšlapem 50 až 80km v závislosti na okolních podmínkách, poměru příšlapu, kapacitě a typu baterií. K jeho velkému rozšíření přispívá možnost dopravovat kolo prostředky městské hromadné dopravy či vlakem, ale i fakt, že dle směrnic Evropské Unie (EU-Directivy 2002/24/EC, která vstoupila v platnost 9. května 2003) není k řízení elektrokola požadován zvláštní řidičský průkaz, pokud je výkon elektromotoru do 250W7 a jeho max. konstrukční rychlost (při které ještě elektromotor přidává výkon) 25km/h. Pokud jsou hodnoty vyšší, je již třeba řidičského oprávnění a takové vozidlo musí projít zkouškami, musí splňovat podmínky vyhlášky Ministerstva dopravy a spojů č. 341/2002sb., přílohy č. 13, podmínky elektromagnetické kompatibility (Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2004/108/ES) a směrnici pro strojní zařízení (Machinery Directive).

Obrázek 5: Skládací elektrokolo GoCycle s baterií v rámu a jednostranným uchycením kol (12)

Elektromotor bývá na kolech nejčastěji umísťován do zadního nebo předního náboje. Na trhu je ale dostupný náboj obsahující elektromotor i baterii, kterou pak není nutné umisťovat na nosiči. Nevýhodou může být nutnost elektrické přípojky v místě parkování kola, protože baterii není možné jednoduše vyjmout. Někteří výrobci dávají přednost umístění 7

Pro spalovací motory je tento limit stanoven na 1kW. Převážně proto, že není v EU tolik rozšířen a tedy v ČR toto omezení vychází jen z vyhlášky Ministerstva Dopravy.

14

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa elektropohonu mimo náboj, tak že cyklista i elektromotor roztáčejí hnací řetěz stejnou rychlostí. Toto umístění je složitější z hlediska umístění motoru na rám kola, ale výhodnější v optimalizaci otáček elektromotoru. High-endová kola dosahující vysokých rychlostí (až 70km/h), využívají tohoto uspořádání, které funguje podobně jako převodovka v automobilu. Jako dalšího zástupce HEH uveďme vozidlo Sinclair C5 (Obrázek 6), projekt anglického vynálezce Sira Clive Sinclaira, excentrického, velmi bohatého génia, známého také díky sestrojení jedněch z prvních osobních počítačů ZX80 a ZX81 v roce 1980, kalkulačkami a kapesními televizemi (13). Myšlenkou lehkého elektrického vozidla se zabýval již od mládí, hlouběji pak od roku 1970.Vývoj vozidla Sinclair C5 byl zahájen v roce 1979, začalo se prodávat v lednu 1985. Vozidlo bylo poháněno lidskou silou – šlapáním a 250W/12V elektromotorem od italské firmy Polymotor, výrobcem motorů pro pračky. S tímto motorem vozidlo dosahovalo rychlosti 15mph (24km/h). Polypropylenová skořepina, ve své době největší vstřikovaná forma, byla vyráběna v dílnách zkrachovalého výrobce vozidel DeLorean.Z marketingového pohledu byl ale tento projekt odsouzen k neúspěchu již od svého spuštění. Marketingová kampaň začala v zimě roku 1984 a prodej nekapotovaného vozidla v lednu 1985. C5 bylo vybaveno olověným 12V akumulátorem, se kterým dosahovalo dojezdu pouhých 15km (v zimě 10km). Vozidlo bylo poměrně nízké, takže jezdec seděl v úrovni výfuků ostatních vozidel a zároveň, což bylo ještě horší, bylo snadno přehlédnutelné a jeho jízda v městském provozu tím pádem nebezpečná. K neúspěchu přispěla také poměrně vysoká výrobní cena.

(a)

(b)

Obrázek 6 (a) Sinclair C5 mezi osobními vozidly; (b) konstrukce Sinclair C5 (13)

Celkově se Sinclairů vyrobilo asi 12 tisíc kusů a dnes jejich sběratelská hodnota dosahuje v ojedinělých případech až 900£. Ačkoliv se jednalo o pokrokovou myšlenku ekologické dopravy, pomineme-li fakt nedořešené bezpečnosti vozidla, nebylo v tehdejší době ani možné realizovat úspěšně takový projekt, protože součásti, které se dnes běžně na elektrokolech používají (baterie, nové modely pomaluběžných BLDC motorů), neexistovaly. Zároveň je ale třeba uvést přínos vozidla, a tím je technologický vývoj v oblasti elektromobilů.

15

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa TWIKE – “TW“in b“IKE“ (Obrázek 7) je dvoumístné, kapotované tříkolé vozidlo pro dvě osoby se zavazadlovým prostorem. Karoserie je vyrobena z plastů, nosný rám je hliníkový a celková váha nenaloženého vozidla je 246 kg (s posádkou až 450kg). Poprvé bylo vozidlo představeno v roce 1986 na World EXPO ve Vancouveru, v Kanadě skupinou švýcarských studentů a získalo několik ocenění za design. TWIKE I byl kompletně poháněn lidskou silou. Inspirováni úspěchem se tvůrci pustili do další verze vozidla, TWIKE II, které bylo vybaveno i přídavným elektromotorem. Malosériová výroba TWIKE III byla zahájena v roce 1995, do současnosti bylo prodáno přes900 vozidel převážně ve Švýcarsku a Německu, přičemž jejich cena se pohybuje okolo 15.000USD (270 000Kč).

Obrázek 7: TWIKE v různém barevném provedení(14)

Výrobce TWIKE nabízí dva typy baterií: 3,3kWh NiCd nebo 6kWh LiIonMn, se kterými je maximální dojezd až 200km (spotřeba je 3 – 8kWh/100km v závislosti na rychlosti a terénu). Asynchronní motor má špičkový výkon 5kW/336V AC (dlouhodobý výkon 3kW) a maximální udávaná rychlost je až 85kmh(14). Vozidlo je koncipováno jako paralelní hybrid (Obrázek 8), pohon lidskou silou je tedy paralelně spolu s výkonem elektromotoru přenášen na hnací osu,přičemž lidská síla se na výkonu vozidla uplatní do rychlosti řádově 30kmh. Pro přenesení lidské síly na hřídel byla použita 5 stupňová bubnová přehazovačka (Obrázek 8 – zelená součást)(15). Zvážíme-li fakta jako je rozsah rychlostí (až 85kmh)a hmotnost naloženého vozidla (až 450kg) vyvstává otázka, do jaké míry je lidská síla ve vozidle TWIKE skutečně používána.

Obrázek 8: Paralelní pohon vozidla TWIKE (14)

16

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa Zajímavostí ovládání TWIKE je řízení pomocí joysticku podobného joysticku v letadle. Ovládání směrových světel, akceleraci i brzdění je zde umístěno na jedné páce a celé vozidlo je možné ovládat jednou rukou. Inspirujícím vozidlem je český HEPAV (Human Powered Electric Amphibious Vehicle)zkonstruované panem Ing. Davidem Buchwaldkem(16) a představené v září 2009 (Obrázek 9).Jedná se o obojživelné vozidlo s pohonem lidskou silou a elektromotorem. Vozidlo dále vyniká po designové stránce zdařile tvarovanou skořepinou a také tím, že v sobě ukrývá i zřídka užívané technologie, neobvyklé pro HEH nebo HPV. Jednak je to hydraulické řízení, jehož použitím je usnadněn nástup i výstup do vozidla a zajištěno přesné řízení, nezávislé zavěšení předních kol, ale také neobvyklý lineární pohon namísto klasickéhorotačního šlapání. Maximální rychlost je až 80kmh, váha vozidla bez baterií je 70kg, s bateriemi 110kg a sám autor na diskusních stránkách serveru nakole.cz (17) píše, že rozjezd do mírného kopce je bez elektromotoru (o špičkovém výkonu 2kW, běžně dodává 800W) téměř nemyslitelný. Odhadovaný dojezd s příšlapem je až 100km.

Obrázek 9: České obojživelné vozidlo vlastní výroby (16)

Dosud jsme představili zástupce paralelních hybridních vozidel využívajících pohonu lidskou silou v kombinaci s elektromotorem. Nyní uvedeme příklady sériových hybridů, které v současnosti nejsou na trhu zastoupeny žádným výrobcem a jejichž vývojem se zabývají některé studie univerzitních týmů v posledních letech. Vlastnosti a specifikace obou typů pohonů rozebereme podrobněji v následující kapitole. První zmínky o této variantě hybridního pohonu pocházejí z roku 1975 (Patent, 3 884 317, Augustus Kinzel). Nicméně hlouběji je zkoumán teprve od roku 1994, kdy Bernie Macdonalds

a

Thomas

Müller

začali

experimentovat

s

moderními

bezkartáčovýmielektromotory (BLDC) s dostatečně silnými permanentními magnety, které mohou být efektivně využity v SH. Výzkum tohoto typu vozidla byl spuštěn na Bern University of Applied Sciences (BUAS) ve Švýcarsku v roce 1994, přičemž stavby reálných modelů a jejich testy proběhly v letech 1997 a 1999(18). Jedním z realizovaných vozidel byla šlapací tříkolka Leitra (Obrázek 10). 17


Obrázek 10: Tříkolka vybavená sériovým pohonem společně se svým autorem A. Fuchsem (18)(19)

Základním problémem, který bylo nutné vyřešit během stavby SH vozidla, byl pomaluběžný BLDC generátor, který by byl vhodný pro lidský pohon, tedy umožňující zatížení poměrně vysokým momentem při zachování přijatelných rozměrů a hmotnosti. Hmotnost generátoru se snižuje se zvyšujícím se počtem otáček. Člověk je schopen dlouhodobě vyvinout krouticí moment od 20 do 40Nm, s maximální, špičkovou kadencí šlapání (otáček) 160(20). Elektromotory (BLDC) běžně používané v elektrokolech jsou dimenzovány podle svého umístění (nejčastěji v náboji kola, tzv. hub motor, nebo sériově před středovým složením kola, tzv. bottom bracket motor). Standardně tyto motory dodávají moment do 10Nm8,vdobě realizace tedy neexistovalo mnoho řešení a nakonec byl využit elektromotor společnosti Circlemotor. Autor tříkolky, A. Fuchs se dále podílel na dalším vývoji generátoru, nicméně jeho komerční výroba je stále vizí budoucnosti. Poslední prototyp (Obrázek 11) osazený na tříkolce Leitra umožňuje individuální nastavení momentu příšlapu a váží 4,3kg včetně pedálů s převodovým poměrem 1:28.5. Jízdní testy ukázaly, že takto vybavený SH je se svými parametry rovnocenným soupeřem standardních PH, v některých případech se tato stavba ukázala efektivnější. Na druhou stranu je třeba uvést, že SH vozidlo musí být vybaveno dvakrát až třikrát silnější pohonnou jednotkou (trakčním motorem) než PH. Je to z důvodu toho, že je potřebný větší moment při akceleraci vozidla nebo jízdě do kopce, protože veškerý hnací výkon je zajišťován elektromotorem, zatímco u PH vozidla se na tomto výkonu podílí i sám jezdec.

Obrázek 11: Pedálový generátor 2004/05(18)(19) 8

Pokud se nejedná o kolo vybavené výkonnějším motorem, než povoluje Evropská norma pro elektrokola, tedy nad 250W.

18

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa Druhým vozidlem realizovaným na stejné universitě byl Urban Quadracycle, realizovaný J. Gilgenem. Jednalo se o čtyřkolé vozidlo vybavené dvěma hnacími elektromotory v nábojích zadních kol (řešena byla i otázka elektronického diferenciálu). Do roku 2008 bylo realizováno pouze 5 staveb SH vozidel.

Obrázek 12: Urban Quadracycle (18)(19)

Pozoruhodným vozidlem je produkt společnosti Human Car(21), založené vynálezcem, profesorem Greenwoodem, které ke svému pohybu nepoužívá pedálů a řetězu jako v předešlých případech, ale člověk vykonává pohyb podobný veslovaní na lodi. Vozidlo s typovým označením Imagine PS (Obrázek 13) je vybavené čtyřmi dvojzvratnými pákami a k pohonu používá mechanizmu jako některé železniční nemotorové drezíny. Experimentálně bylo zjištěno, že posádka (4 lidé) může vozidlu dodávat výkon přibližně 800W,kterým jsou pomocí 1kW generátoru(22) napájeny baterie nebo přímo dva elektromotory, které vozidlo pohání. Pohotovostní hmotnost vozidla je 350kg včetně NiMH (Li-ion) baterií (100kg) dodávajícím napětí 110V (AC). HumanCar dosahuje rychlosti až 100kmh, v kopcovitém terénu výrobce udává až 50kmh. Detailní informace o použité trakční výzbroji výrobce na svých stránkách neudává.

Obrázek 13: Konstrukce a koncept společnosti HumanCar – „veslovací vozidlo“(21)

19


2 Systém hybridního vozidla V této kapitole uvedeme základní funkční koncepty9 paralelních a sériových hybridních pohonů kombinujících pohon lidskou silou s elektromotorem a blíže popíšeme komponenty Human-Electric Hybrid (HEH) vozidel.

2.1 Paralelní hybridní pohon Pohon paralelního HEH vozidla je zajišťován kombinací síly vyvozené jezdcem mechanicky přenesené pomocí řetězu nebo kardanové hřídele přímo na hnací ústrojí vozidla zároveň, paralelně s elektromotorem (Obrázek 14).Přenos síly jezdce ke kolům je realizován přes převodovku, tak aby byla optimalizována potřebná síla jezdce a frekvence otáček.

Obrázek 14: Paralelní hybridní pohon (23)

Výhodou paralelního pohonu oproti sériovému: •

nepotřebuje tak výkonný trakční elektromotor, protože se jezdec (HP) přímo mechanicky podílí na výkonu vozidla,

•

nepotřebuje generátor,

•

není třeba uchovávat tak velkou energii v bateriích nebo ultrakapacitorech, snížení kapacity baterií znamená i snížení jejich hmotnosti,

•

eliminuje neúčinnost konverze energie z mechanické na elektrickou a z elektrické na mechanickou.

Paralelní uspořádání pracuje v následujících pěti režimech (uvádíme v analogiis kombinací spalovacího motoru ICE s elektromotorem): •

Pouze pohon lidskou silou: je-li dodávaný výkon jezdce vyšší než požadovaný (typicky jízda z kopce) a zároveň jsou baterie plně nabité(v angl. literatuře

9

Neuvádíme další možná uskupení hybridního pohonu označovaných jako Power split, Strigear nebo uskupení, kdy ICE (v našem případě lidská síla) pohání přední nápravu a EM zadní.

20

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa peaking power source PPS) nebo je-li dosaženo maximální rychlosti, do které ještě elektromotor muže přidávat výkon (nastavení kontroleru v závislosti na legislativě). •

Pohon pouze elektromotorem: v klasickém případě tato situace nastává při nízkých rychlostech automobilu. V případě šlapacího vozidla tato situace nastává ojediněle, pouze v případě požadavku jezdce sepnutím akcelerátoru. V režimu s automatickým příšlapem (s využitím Pedal Assist System – PAS) toto nenastane.

•

Hybridní režim: je-li požadovaný výkon vyšší, než je schopen vyvodit jezdec je připojen i elektromotor. Typicky se jedná o většinu provozní doby HEH. Otázkou zde zůstává, jak vysoký výkon má elektromotor dodávat. Nastávají dva případy: o

Jezdec si sám určuje otočnou rukojetí akcelerátoru přidávaný výkon elektromotoru dle potřeby (v angl. literatuře tzv.E-bike).

o

Řídící jednotka vozidla sama určuje přidávaný výkon buď v závislosti na rychlosti vozidla, kadenci šlapání nebo na snímané hodnotě momentu dodávaného jezdcem (v angl. literatuře tzv.Pedelec).

•

Regenerační brzdění: oproti běžným automobilům mají velomobily značně nižší hmotnost a dosahuji mnohem nižších rychlostí. Zejména z důvodu nízké hmotnosti není většina dnešních elektrokol, které tvoří drtivou většinu trhu s HEH, touto funkcí vybavena. Výzkumy provedené na Fakultě Elektrotechniky ČVUT ukázaly, že regeneračním brzděním lze u lehkých elektrických vozidel (LEV) dosáhnout 10% úspory energie(24).

•

Nabíjení baterie (PPS charging): je-li požadovaný výkon nižší než dodává samotný jezdec (např. jízda z kopce), elektromotor je možné přepnout do režimu generátoru (elektromagnetické brzdy) a jezdec může dodávat energii baterii. Tato varianta je v případě LEV značněnepravděpodobná a ani koncepce paralelního lehkého HEH s ní nepočítá. Mohla by teoreticky nastat v případě, že by systém umožňovalrekuperační brzdění a jezdec by zvyšoval výkon generátoru šlapáním – urychloval by jízdu z kopce, ale ne za účelem rychlejší jízdy (řešení pomocí regulovatelného bočníku, viz rovnice (11) a (12)).

2.2 Sériový hybridní pohon Sériový hybridní pohon vznikl požadavkem na zvýšení dojezdu čistě elektrických vozidel osazením ICE, resp. v našem případě využitím lidské síly (HP) za účelem dobíjení baterie, resp. přímého dodání elektrické energie trakčnímu elektromotoru.

21

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa Vozidlo je poháněno pouze elektromotorem, který je napájen z úložiště elektrické energie, typicky z baterií, případně ultrakapacitorů a/nebo z generátoru, který je v našem případě poháněn lidskou silou (běžněji ICE). Je-li požadavek na výkon větší a dojde-li ke zvýšení odběru proudu ze zdroje, je generátor přímo připojen k elektromotoru, aby vykryl tento požadavek. V opačném případě generátor dobijí baterii. Výkon vozidla, stejně jako akcelerace, stoupavost, maximální rychlost je dána pouze charakteristikami trakčního elektromotoru. Topologie SH pohonu je uvedena na Obrázek 15. Neexistuje zde žádná přímá mechanická vazba mezi motorem, resp. HP (lidskou silou) a hnanou osou. Výhodami jsou: •

Možnost připojení / odpojení motoru (ICE, HP) bez nutnosti použití spojky.

•

ICE, resp. HP může být umístěn téměř kdekoliv a není třeba řešit mechanický přenos momentu na hnanou osu.

•

ICE, resp. HP pohánějící generátor může pracovat v optimálních otáčkách.10

Obrázek 15: Sériový hybridní pohon (23)

Sériové uspořádání pracuje v následujících režimech (uvádíme v analogii s kombinací spalovacího motoru ICE s elektromotorem): •

Hybridní pohon: je-li požadován vysoký výkon, generátor i baterie jsou přímo připojeny k trakčnímu elektromotoru G/M, přičemž ICE, resp. HP pracují na svém optimu.

•

Dodávka energie pouze z baterií.

•

Dodávka energie trakčnímu motoru z generátoru poháněného motorem ICE, resp. HP– nejčastější případ pro HEH za účelem maximalizace efektivity systému(25).

•

Dobíjení baterií generátorem: zejména klesne-li hodnota napětí na baterii pod určitou úroveň, je nutnésepnout dobíjení z generátoru (regenerativní brzdění většinou nepostačuje), aby nedošlo k odpojení baterií od trakčního motoru. BMS, resp. kontroler chrání baterii před úplným vybitím odpojením,abyzachoval její

10

Pro úplnost uveďme, že v dnešní době jsou dostupné i kontinuální převodovky CVT, které umožní chod motoru v optimálním režimu a to i pro lehká elektrická vozidla, resp. Lehká HEH.

22

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa životnost. V případě využití HP je ale třeba upozornit na fakt, že generátor musí mít vyšší napětí, než je napětí zdroje, což při stejném výkonu člověka vede ke snížení generovaného proudu a snížení rychlosti nabíjení. •

Regenerativní brzdění: trakční motor je přepnut do režimu generátoru. Samotný chemický proces, kdy baterie přechází z režimu vybíjení do režimu nabíjení, trvá určitý čas v závislosti na typu baterie11. Regenerace lze také využít pro nabití ultra-kapacitorů.

V případě lehkých sériových HEH se nejčastěji vyskytuje kombinace variant dodávání energie ze šlapacího generátoru trakčnímu elektromotoru, přičemž dostatečný výkon je zajišťován dodáváním proudu z baterií. Trakční elektromotor bývá řádově dvakrát silnější než u paralelního systému. Jak bylo uvedeno, nevýhodou SH přístupu je konverze energie z mechanické na elektrickou a naopak. SH pohon je ale vhodnýpro užití ve vozidlech, kde se předpokládají velmi časté akcelerace, kdy vykazuje vysokou efektivitu v porovnání s ICE. Nevýhodou je nutnost uchovávat poměrně velké množství energie v bateriích, což zvyšuje hmotnost vozidla, snižuje jeho výkon při kontinuální jízděa zároveňprodražuje jeho výrobu.

2.3 Komponenty hybridního systému s pohonem lidskou silou 2.3.1

Pohon lidskou silou, specifikace

Člověk je schopen stabilně, dlouhodobě (v řádech hodin) dodávat výkon od 75 do 200W (20)v závislosti na kondici, věku apod. Takový výkon je dostatečný pro dosažení průměrné rychlosti 15 až 20km/h v rovinatém terénu. V případě jízdy do kopce nebo proti větru,může být požadovaný výkon i několikanásobněvyšší. Na univerzitěVUB University of Brussels byl proveden standardní zátěžový test člověka12(20), ve kterém byla měřena závislost tepové frekvence na generovaném výkonu a zároveň závislost krevního tlaku na tepové frekvenci. Test byl proveden na rotopedu, kterýautomaticky každé tři minuty zvyšoval odpor proti šlapání jezdce a tím zvyšoval požadavek na jeho výkon, přičemž frekvence šlapání zůstávala konstantní, 90ot/s. Výsledky testu jsou znázorněny na Obrázek 16. Lineární závislost v prvním grafu, která se láme mezi 160 a 200W, značí generování výkonu v tzv. aerobním režimu13 a vysvětluje výšeuvedenou hodnotu výkonu dlouhodobě dodávaného lidskou silou, 200W. Při vyšší tepové frekvenci než

11

Vysokou dynamiku v tomto smyslu vykazují např. baterie NiMH, naproti tomu olověné baterie nejsou pro tento účel příliš vhodné. 12 Muž, váha 88kg, výška 1,92m, BMI=23.9. 13 V aerobnim rezimu se tepova frekvence cloveka pohybuje do 70% jeho maximalni hodnoty, nedochazi k produkci kyseliny mlecne ve svalech, svaly se neunavuji tak rychle, jako pri rezimu anaerobnim – bez pritomnosti kysliku.

23

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa 180 sledujeme vysoký nárůst tvorby laktátu (kyseliny mléčné), člověk pracuje v anaerobním režimu.

(a)

(b)

Obrázek 16(a) závislost tepové frekvence na odevzdávaném výkonu; (b)vznik kyseliny mléčné v závislosti na tepové frekvenci(20)

Abychom získali ještě bližší pohled na pracovní oblast člověka, definujeme maximální hodnoty momentu, který je člověk schopen během jízdy na kole vyvodit a jeho maximalní kadenci (20). Pro stanovení momentu vyjdeme z předpokladu hmotnosti jezdce (např. 100kg), který ve stoji zabírá do pedálu. Síla, kterou působína pedál, je navýšena o cca 200N, což je síla, kterou se jezdec přitahuje k řidítkům. Nejčastějšídélka kliky pedálu je 17cm. Dostáváme: · · · 200

kde G je tíha jezdce, F je síla přitažení k řidítkům a r je rameno, na kterém výsledná síla působí. Vzhledem k pulzujícímu charakteru momentu, udíleného lidskou silou (šlapání) je maximální hodnota momentu stanovena na 115Nm. Maximální počet otáček je 160, což je v běžných podmínkách hodnota poměrně stěží dosažitelná, stejně jako výkon člověka nad 300W. Uvedené limity nicméně použijeme pro vykreslení pracovní oblasti člověka (Obrázek 17), které se využívá při návrhu převodového ústrojíjízdních kol nebo při určení požadovaných charakteristik BLDC generátoru použitelného v SH.

Obrázek 17: Pracovní oblast člověka, závislost vyvozeného momentu na otáčkách (20)

24

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa Hodnota optimální kadence modelovaná pro dosažení výkonu 200W leží podle modelu uvedeného v (26)a odvozeného v (27)v rozmezí hodnot 95 až 100ot/min, na obrázku je vyznačena zeleným polem. V uvedeném rozmezí otáček jezdí také většina profesionálních cyklistů. 2.3.2

Elektromotor

Druhou klíčovou komponentou HEH je elektromotor; v této části přiblížíme obecný princip elektromotoru, počínaje nejjednodušším kartáčovým DC motorem, který nevyžaduje další zvláštní elektroniku pro řízení, uvedeme také princip v dnešní době velmi často používaného

BLDC

(bezkartáčového)

motoru

s permanentními

magnety.

Princip

stejnosměrného motoru bude uveden podrobněji s ohledem na to, že byl použit při stavbě vozidla a také proto, že na lehkých elektrických vozidlech se jako zdroje nejčastěji používají baterie (DC). Okrajově uvedeme motory založené na indukčním principu, tedy asynchronní motory napájené střídavým (AC)zdrojem, ačkoli i v případě BLDC motorů dochází k „rozstřídání“ pomocí měniče (invertoru), jehož obvod zásadně neprodražuje jejich nasazení. Možnosti umístění elektromotoru14 jsou diskutovány v následující kapitole, popisující návrh konstrukce vozidla. V závislosti na jejich umístění se liší i jejich konstrukce zajišťující vhodný převodový poměr hnacího momentu. Konstrukce motorů využívá planetové převodovky, čelního ozubení nebo šnekového ozubení apod. Vzhledem k velké variabilitě konstrukcí motoru není tato oblast v práci podrobně rozepsána, soustředíme se pouze na vysvětlení základních principů. 2.3.2.1 Kartáčový stejnosměrný elektromotor Klasický DC motor s permanentními magnety a kartáči je uveden na Obrázek 18, jedná se o zjednodušený model s jednou cívkou. Proud teče kartáčem X a polo-prstencem komutátoru A přes cívku (v obrázku je naznačena jednoduchou tlustou čarou, ve skutečnosti se jedná o smyčku s n závity) a ven pak druhou částí komutátoru B a kartáčem Y (XABY). Vedení proudu cívkou v blízkosti magnetů způsobuje, že se v ní generuje síla, která, jak je naznačeno na obrázku, na jedné straně působí vzhůru, na druhé obráceně (obrácený směr proudu). Tyto dvě síly způsobí natáčení cívky v magnetickém poli spolu s komutátorem. Vyvozený moment otáčí cívkou s komutátorem i v poloze, kdy kartáče nejsou ve styku s vodiči. Po otočení o 180° op ět dojde ke kontaktu kartáčů s vodiči a proud prochází tentokrát cestou XBAY. Tento směr je sice obrácený směru v předešlém kroku, ale relativně, vůči magnetům, je stejný, což způsobí opětovné vyvolání sil a rotaci. 14

Nejčastěji: bottom bracket – midle mottor, rear hub, front hub.

25


Obrázek 18: Vysvětlení principu DC motoru s permanentními magnety (28)

Uveďme ještě několik zpřesňujících skutečností k vysvětlenému principu: Rotující cívka (také tzv. kotva) je navinuta okolo kusu železa (jádra), přičemž důraz je kladen na minimální mezeru mezi cívkou a magnety, která by oslabila vzájemné magnetické pole. Většinou se používá více než jedna rotační cívka, komutátor tedy neobsahuje jen dva segmenty, jako je uvedeno na obrázku, ale hned několik segmentů – přesněji, dvojnásobek počtu cívek. Každá cívka je tvořena vysokým počtem závitů, což způsobí nárůst sil způsobujících rotaci. Obvykle se používá více než jednoho páru magnetů, což opět způsobí nárůst sil způsobujících rotaci. Pro úplnost popíšeme ještě postup stanovení momentové charakteristiky DC motoru. Jestliže vedení cívky má délku l[m] a vede proud I [A] v magnetickém poli s magnetickou indukcíB [Wb·m-2], je velikost síly způsobující rotaci dána rovnicí(Electromotor Force – EMF):

(1)

Obrázek 19: Čtyř-pólový DC motor, čárkované čáry ukazují směr toku proudu, konvence směru vedení proudu (28)

Jestliže poloměr cívky je r a kotva vykoná n otáček, je celkový moment motoru Mdán rovnicí:

26

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa 2

(2)

Termín 2 plocha můžeme nahradit celkovým proudovým tokem Φ, dostáváme:

(3)

Uvedená rovnice představuje vztah pro špičkový moment motoru v ideálním případě, kdy je cívka plně protékána a nezahrnuje např. možnost více pólů magnetu. Zavádíme proto tzv. motorovou konstantu Km, jejíž hodnota závisí na počtu závitů cívky rotoru N, na počtu

magnetických pólů motorup a na počtu párů tzv. paralelních větví a, podle vztahu . Rovnici (3) tedy přepíšeme do tvaru:

Vidíme,

že

moment

vyvozený

(4)

motorem

je

přímo

úměrný

proudu

Iprocházejícímurotorem(kotvou), který je závislý na napětí zdroje Es a na vlastním odporu cívky na kotvěRa. Bude-li se kotva otáčet v magnetickém poli, bude se motor chovat jako generátor, resp. dynamo a generované napětí bude odpovídat následujícímu vztahu:

(5)

Tato rovnice je známá také jako rovnice generátoru a udává velikost generovaného napětí. Indukované napětí Uizávisí na rychlosti otáčení cívky v magnetickém poli danou úhlovou rychlostí ω a poloměrem otáčení r. Kotva má dvě strany a vykoná celkem n otáček; dostáváme: 2

(6)

Porovnáním s rovnicí (2) můžeme i rovnici (6)ze stejných důvodů zjednodušit:

(7)

Generované napětí Ui oponuje napětí zdroje Us a redukuje velikost proudu v motoru. Čistá hodnota na kotvě pak představuje rozdíl mezi napětím zdroje Us a generovaným napětím Ui. Proud na kotvě má tedy hodnotu:

! "

!

"

(8)

Z rovnice je patrné, že proud klesá s rostoucí úhlovou rychlostí. Pro úplnost můžeme tuto rovnici dosadit do rovnice (4), která vztahuje úhlovou rychlost a moment:

!

"

#

(9)

Uvedený vztah ukazuje, že moment tohoto typu motoru je maximální v případě nulové rychlosti rotoru a klesá se stoupající rychlostí, přičemž zanedbáváme ztráty vznikající třením

27

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa kartáčů komutátoru, tření v ložiscích a odporu vzduchu. Vyneseme-li do grafu závislost momentu na rychlosti (Obrázek 20), získáme lineární závislost, která popisuje i poměrně jednoduché řízení elektromotoru. DC elektromotor je dále možné řídit magnetickým tokem Φ, nicméně tuto možnost dále nepopisujeme.

Obrázek 20: Závislost momentu na rychlosti (28)

Jak bylo uvedeno, elektromotor lze využít i jako generátor elektrické energie či elektrodynamické brzdy. Na Obrázek 21 je motor propojen s baterií se zanedbatelně malým vnitřním odporem a napětím Es. Po dosažení rovnovážného stavu bude motor poskytovat moment T při rychlosti otáčení rotoru ω podle rovnice (9).

Obrázek 21: Obvod pro zapojení motoru s odporem pro využití elektrodynamické brzdy (28)

Přepneme-li přepínač doprava, motor bude pokračovat se stejnou úhlovou rychlostí a bude generovat napětí podle vztahu (7). Toto napětí se projeví na odporu RL, zvanému bočník, velikost proudu bude limitována vlastním odporem kotvy Ra (otáčející se cívky):

$

(10)

Tento proud generovaný elektromotorem způsobí negativní moment, který postupně zastaví motor. Výsledný moment tedy bude: "

# $

28

(11)

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa Hodnotu záporného – brzdícího momentu můžeme kontrolovat změnou odporu RL, bočníkem a tento jev nazýváme dynamickým brzděním, resp. elektrodynamickou brzdou. Kinetická energie motoru a de facto celého vozidla se mění na teplo. První výhodou proti mechanické brzdě je, že můžeme kontrolovat, kde se teplo bude vyzařovat. Druhou, mnohem podstatnější výhodou je možnost generovanou elektrickou energii opět uložit do baterií nebo kapacitoru. Pak takový systém brzdění nazýváme regenerativní brzdou. Poznamenejme ale, že prosté spojení baterie a elektromotoru není příliš praktické. Uvažujeme-li napětí na baterii Ub a rychlost otáčení motoru ω, proud I, který poteče z motoru, bude dán následující rovnicí:

" %

(12)

Zpomalující moment je přímo úměrný tomuto proudu, takže jakmile hodnota ω poklesne tak, že výsledné generované napětí ( ) je rovno napětí na baterii, brzdný efekt vymizí. Z toho důvodu se v praxi používá obvod s DC/DC měničem, který za požadavku brzdění zvýší generované napětí a sníží proud tekoucí z motoru, takže dobíjení probíhá stále právě tak jako brzdění ačkoli generované napětí je nižší než napětí na baterii. 2.3.2.2 BLDC motory V předcházející sekci byl vysvětlen princip stejnosměrného motoru s komutátorem, jehož slabinou je jiskření vznikající otáčením kartáčů komutátoru a nutnost údržby. Druhým problémem, rovněž zmíněným v souvislosti s elektrodynamickým, resp. rekuperačním brzděním je zahřívání, protože k němu dochází ve středu motoru, což znesnadňuje jeho chlazení. Pokud by totiž motor byl navržen tak, aby se zahříval na svém vnějším plášti, bylo by možné jej mnohem efektivněji chladit a to by umožnilo podstatné zmenšení jeho rozměrů a snížení hmotnosti. Eliminujeme-li využití kartáčů, bude to jen výhodou, protože dojde i ke zvýšení životnosti motoru. Existují

tři

varianty

elektromotorů

navržené

podle

výše

uvedených

aspektů:

bezkartáčovýstejnosměrný motor (BrushLess DC Motor – BLDC), spínaný reluktanční motor (Switched Reluctance Motor – SRM) a indukční motor (Induction motor). Blíže se zmínímejen BLDC motor, který v poslední době takřka ovládl trh s elektrokoly. Oproti standardnímu DC motoru je vinutí BLDC motoru umístěno na statoru a rotor je tvořen permanentními magnety. Jedná se ve své podstatě o střídavý (AC) motor, který řídíme přepínáním polarity proudu tak, že ve vinutístatoru teče střídavý proud. Poloha přepínání se řídí buď optočleny, nebo pomocí Hallových sond. Princip motoru je znázorněn na Obrázek 22.

29


Obrázek 22: Princip bezkartáčového DC motoru (28)

Nejprve proud teče ve směru tak, že způsobí otočení rotoru ve směru hodinových ručiček. Na druhém obrázku se rotor otáčí kolem pólů vlivem svého momentu a proud na statoru je vypnutý. Na posledním obrázku opět statorem protéká proud, ale obráceným směrem. Toto přepnutí zajišťujeinvertor vybavený mikrokontrolerem, který pomocí čidel (typicky Hallových sond) vyhodnocuje pozici rotoru. K jejich masovému rozšíření v oblasti LEV dochází až od 90. let minulého století. Pokud by stator motoru byl osazen pouze jednou cívkou, nastane problémvelmi nestabilní hodnoty hnacího momentu. Proto se reálně do motoru umísťuje více cívek, nejčastěji tři zapojené do hvězdy, ačkoli obecně lze vytvořit m-fází. Na Obrázek 23je uveden příklad BLDC motoru se třemi cívkami A, B, C. Je-li rotor polohován mezi póly B, resp. C, bude zapojena cívka B, resp. C. Podobně jako stator, i rotor má v praxi více pólů než dva.

Obrázek 23: Uspořádání BLDC motoru se třemi cívkami (28)

2.3.3

Baterie

Jako zdroje napájení LEV se nejčastěji používají baterie, které ukládají elektrickou energii jako potenciální chemickou energii. Každá baterie obsahuje dvě elektrody (kovové plíšky), jednu elektricky pozitivní (katoda), druhou negativní (anoda) a elektrolyt, který je mezi nimi. Její vybíjení a nabíjení je chemický proces mezi elektrodami a elektrolytem. V poslední době jsou vyvíjeny také technologie ultrakapacitorů, které jsou ve velmi krátkém čase schopny adsorbovat a uložit velké množství energie např. při brzdění a stejně rychle ji dodat při akceleraci. Jedná se ale stále o poměrně nákladné vybavení, které se používá v závodních speciálech a jejich využití jako zdroje, se předpokládá spíše jako doplnění baterií 30

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa pro vykrývání excesů napěťových špiček. Jinou variantou, jejíž princip byl popsán již kolem roku 1840, jsou palivové články. Jedná se v podstatě o galvanický článek, k jehož anodě je přiváděno palivo (např. vodík, uhlovodíky, alkoholy) a jeho katodě okysličovadlo (kyslík, chlór, oxid chloričitý). Zatímco elektrody v bateriích jsou opotřebovávány, v palivovém článku jsou elektrody katalyticky i relativně stabilní, takže mohou operovat nepřetržitě, pokud se nepřeruší přívod paliva nebo okysličovadla. V dalším textu stručně popíšeme důležité parametry baterií používaných nejčastěji pro pohon LEV a HEH. Podkapitolu uzavřeme srovnávací tabulkou významných charakteristik baterií podle jejich typu. Parametry baterií Množství energie uložené v baterii je vyjádřeno v Ampér-hodinách (Ah) a určuje kapacitu baterie. Výrobce většinou uvádí tuto kapacitu vzhledem k vybíjecímu proudu (Obrázek 24a). Např. vybíjecí proud cca 1A bude baterie schopna dodávat 10h, tedy kapacita baterie bude 1 · 10 10'(. Jak je vidět, vyšší proudy způspbí rychlejší vybití baterie. Battery Managemetn System (BMS), který je implementován ve většině kontrolerů, které jsou navrženy pro práci se specifickými typy baterií, odpojí baterii, klesneli její napětí pod určitou úroveň (Obrázek 24b), aby nedošlo k jejímu poškození (Cut-off voltage).

(a)

(b)

Obrázek 24(a)Odlišné vybíjecí proudy, vybíjecí charakteristika SLA baterie (viz příloha na CD, materiál od výrobce), (b)Konstantní vybíjení typické baterie (23)

Chceme-li porovnávat baterie mezi sebou, používáme nejčastěji dalších dvou parametrů, měrné kapacity (specific energy) a měrného výkonu(specific power). Měrná kapacita je definována jako poměr energie baterie a její hmotnosti(Wh/kg). Měrný výkon je definován jako maximální dodávaný výkon (po krátký čas) vztažený na jednotku hmotnosti nebo objemu(W/kg). Tato vlastnost baterie je značně závislá na vnitřním odporu baterie, vyšší vnitřní odpor baterie snižuje maximální dodávaný výkon.

31

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa Dalším důležitým parametrem je životnost baterie vyjádřená v cyklech, kde cyklem rozumíme plné nabití a vybití. S rostoucím počtem cyklů se snižuje kapacita baterie, začne se zvyšovat vnitřní odpor a zvýší se i poměr samovybíjení baterie. Např. u olověných (SLA) baterií platí, že čím hlouběji jsou během jednotlivých cyklů vybíjeny, tím rychleji dochází k těmto změnám. Za konec životnosti baterie považujeme stav, kdy její kapacita poklesne na 70 až 80% nominální hodnoty. Počty cyklů jsou uváděny pro užití v laboratorních podmínkách. V praxi se počet cyklů může výrazně měnit v závislosti na skutečných provozních podmínkách. Uvedené parametry jsou většinou uváděny pro teplotu 25°C p ři dodržení nabíjecích a vybíjecích charakteristik a především hodnot definovaného koncového napětí a maximálního napětí pro nabíjení. Vybrané typy baterií Olověné baterie (SLA – Sealed Lead-Acid) Jedná se o technologii používanou přibližně 150 let, v důsledku toho je i jejich výroba detailně propracována, což vede k nízkým výrobním a tedy i k nízké pořizovací ceně, vysoké provozní účinnosti a provozní spolehlivosti. Nevýhodou je nízká měrná kapacita, nižší maximální nabíjecí proudy, které by urychlily jejich opětovné nabití a skutečnost, že materiál elektrod je toxický. Principielně je olověná baterie založená na chemické reakci (vybíjení), kterou lze popsat touto rovnicí (reakce na katodě a anodě): PbO2+2H2SO4 + Pb → PbSO4 + 2H2O + PbSO4 Pb + H2SO4 → PbSO4 + H2 Baterie dělíme na tzv. trakční a startovací podle konstrukce elektrod. Trakční baterie používají silné desky elektrod a také elektrolyt s větší hustotou, což umožňuje hluboké ukládání energie uvnitř desek, která se poté uvolňuje během pomalého vybíjení (až 60% kapacity). Naproti tomu startovací baterie (používané v automobilech), jsou navrženy tak, aby během krátkého okamžiku dodaly maximum energie. Během startování se baterie vybije přibližně z 3%, z čehož vyplývá, že při jejím použití v aplikaci s hloubkovým cyklem, klesá významně její životnost. Lithium Ion (Li-ion) Poměrně nová technologie uvedená na trh teprve v 90. letech minulého století15, jejíž vývoj se stále ještě zdokonaluje a jeví se jako velmi perspektivní právě pro napájení vozidel. Hlavní jejich výhodou je vysoká měrná kapacita (řádově 3x vyšší oproti SLA) a to díky využití lehkého lithia. Baterie má poměrně nízký koeficient samovybíjení a rovněž počet cyklů se 15

První pokusy prováděl G. N. Lewis již v roce 1912, po roce 1960 vývoj v laboratořích Bell.

32

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa pohybuje kolem 1000 v závislosti na frekvenci a hloubce vybíjení. Lithium je vysoce reaktivní se vzduchem, při případné havárii hrozí nebezpečí výbuchu, což je problém bránící jejich masovému nasazení do elektromobilů, kde se nejčastěji nyní používají NiMH. Elektrolyt je složen z vodivé soli (např. LiPF6) a rozpouštědla, pro něž se používají směsi etylenu, propylenu nebo metalkarbonátu. Při nabíjení a vybíjení přecházejí ionty Li+ od kladné elektrody k záporné, což lze vyjádřit pomocí chemické rovnice: Li0,5CoO2 + Li0,5C6↔ C6 + LiCoO2 Z rovnice lze určit, že materiál anody je tvořen uhlíkovou matricí, která reaguje (přijímá a uvolňuje) ionty lithia a materiálem katody jsou sloučeniny LiCoO2 (případně také LiMn2O4 nebo LiNiO2). Baterie je velmi náchylná na přebytí, z toho důvodu je v každé běžně prodávané baterii (battery pack) čip, který hlídá její stav a kontroluje průběh nabíjení. Lithium Polymer (Li-pol) Li-pol baterie jsou komerčně využívané baterie s jednou z nejlepších měrných kapacit a vynikající životností. Oproti Li-ion bateriím se liší v použitém elektrolytu, který je gelový (pevný), což zjednodušuje článek tím, že nemusí být použit separátor. Lze tak vyrobit i extrémně ploché články (až 0,2mm), díky čemuž se používají například v tenkých noteboocích nebo miniaturních kamerách. Baterie mají stejně jako Li-ion velmi nízké samovybíjení, ale jsou citlivé na přesné nabíjení. Proto je třeba pro jejich nabíjení používat nabíječky doporučené výrobcem, které jsou ale většinou několikrát dražší než nabíječky pro SLA. Lithium železo fosfát (LiFePO4) Jedná se o poslední vývojový typ baterií vyráběných na bázi lithium železo fosfátu (LiFePO4), materiálu, ze kterého je vyrobena katoda. Anoda je jako u ostatních lithiových baterií vyrobena z uhlíku nebo jeho sloučenin. LiFePO4 technologie je zajímavá hlavně díky nízkým výrobním nákladům, ačkoliv na českém trhu je stále cenově poněkud náročná, jak ukáže tabulka uvedená v kapitole popisující realizaci vozidla. Další výhodou je, že je zcela netoxická (na rozdíl od klasických li-ion) a má výjimečnou teplotní stabilitu (nevybuchuje ani za extrémních podmínek).Na druhou stranu má nižší hustotu energie (měrnou kapacitu) ve srovnání s jinými Li bateriemi. Díky uvedeným vlastnostem je velmi vhodná pro aplikaci v dopravních prostředcích, včetně LEV a HEH. Závěrem této části uvedeme tabulku srovnávající nejdůležitější charakteristiky nejčastěji používaných typů baterií (Tabulka 1). Uvedené hodnoty jsou hodnoty špičkové, dosahované v laboratorních podmínkách; rozsahy hodnot mohou být v řádech desítek procent, což je 33

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa dáno variabilitou konstrukce baterie (viz trakční a startovací olověná baterie). Tabulka tak podává jen základní přehled a srovnání. Měrná kapacita Měrný výkon Počet cyklů [Wh/kg] [W/kg] n

Typ baterie Lead-Acid (SLA) Nickel-Metal Hydride (NiMH) Nickel-Cadmium (NiCd) Lithium ion (Li-ion) Lithium Polymer (Li-pol) LiFePO4

Samovybíjení [% za den]

25 až 35

až 250

až 800

max. 2%

až 65

200

až 1000

až 5% - vysoké

40 až 55

až 125

až 1200

90

300

až 1000

130 až 200

100 to 315

přes 1000

až 120

až 400

2000

0,5% - velmi nízké méně než 10% za měsíc méně než 10% za měsíc méně než 10% za měsíc

Dobíjecí čas [h] 8h, ale je možné až 90% za 1h 1h, rychlonabíjení: 60% za 20min. 1h, rychlonabíjení: 60% za 20min. 2 - 3h --16

Tabulka 1: Srovnání nejčastěji používaných baterií v aplikacích LEV, HEH (28)

2.3.4

Ovládací prvky

Z pohledu ovládání můžeme elektrokola, potažmo tedy i současné paralelní HEH vozidla rozdělit na tzv. e-biky a pedelecy (Pedal/Electric Assisted Bike). Oficiálně se jedná o dvě rozdílné kategorie dopravních prostředků, které se liší způsobem ovládání elektromotoru: •

Pedelec: motor přidává výkon pouze v případě, že je detekování šlapání jezdce pomocí senzoru příšlapu, (Pedal Assist System – PAS).

•

E-bike: motor přidává výkon na základě požadavku jezdce polohou otočné rukojeti (handlebar throttle), podobně jako na motorce.

Většina ovládacích jednotek ale podporuje oba dva režimy najednou, takže rozdíl není tolik markantní. Senzor PAS Senzor příšlapu dává kontroleru (pokud kontroler tuto funkci podporuje) informaci o tom, že jezdec šlape. Kontroler pak automaticky přidává výkon motoru, aniž by jezdec používal akcelerátor. Používají se dva typy asistenčních systémů. První z nich, jednodušší (Obrázek 25), měří pouze rychlost otáčení klik. Druhý snímá navíc i moment vyvozený šlapáním jezdce. Kontroler vyhodnotí tyto údaje, určí výkon podávaný jezdcem a na základě interního programu určí, jak velký moment má dodávat přídavný motor.

16

Příklady použití NiMH baterie: Toyota RAV4-EV, Toyota Prius, Chrysler Epic, Honda EV

34


(a)

(b)

(c)

Obrázek 25 (a) (b): PAS – snímání rychlosti otáčení klik(29); (c) PAS – snímání momentu (30)

Kontroler Závěrem uvedeme nejčastější funkce kontroleru používaných na elektrokolech: Ovládání motoru (v případě BLDC se jedná o invertor, viz výše) Komunikace se senzorem příšlapu, vyhodnocení požadovaného výkonu Odpojení motoru při sepnutí brzd nebo při dosažení stanovené rychlosti (podle směrnice EU) Ochrana baterií před podvybitím (odpojení motoru při poklesu napětí pod určitou úroveň) Rekuperace (méně častá funkce)

35


3 Návrh vozidla Cílem projektu je konstrukční řešení a stavba jednomístného lehkého dvoustopého vozidla kombinujícího pohon lidskou silou s elektromotorem, v anglickém textu označovaném jako Human-Electro Hybrid (HEH). V této kapitole popíšeme proces vývoje a varianty řešeníněkterých problémů souvisejících se samotnou realizací.

3.1 Globální požadavky na konstrukci, specifikace zadání Vozidlo je navrhováno jako dopravní prostředek určený převážně pro rekreačníúčely (vzhledem ke svým rozměrům se nepředpokládá např. denní dojíždění do práce, i když i to je možné), které je schopno překonávat relativně dlouhé trasy rychlostí srovnatelnou s běžným jízdním kolem nebo vyšší. Tomu musí odpovídat jednak jeho ergonomie, ale také výkon elektromotoru a kapacita baterií, zaručující dostatečný dojezd. Dimenzování jednotlivých komponent je podrobněji popsáno dále. Navrhované vozidlo musí splňovat legislativní požadavky stanovené vyhláškou Ministerstva dopravy a spojů c 341/2002sb., přílohy č. 13 – Silniční nemotorová vozidla, jízdní kola, pro které není třeba řidičského oprávnění. Zjednodušeně se podle této vyhlášky za takové vozidlo povazuje dopravní prostředek s libovolným počtem kol (tedy i 4), maximálníšířkou do jednoho metru, řádně osvětlené (světlo musí být umístěno nejdále 400 mm od jeho obou okrajů). Technická způsobilost těchto vozidel se podle článku 71, informačního dokumentu Ministerstva dopravy a spojů, neschvaluje. Další parametry pro návrh konstrukce a trakčního vybavení: •

relativnícenovánenáročnost konstrukce,

•

poloměr otáčení méně než 5m,

•

nízká váha konstrukce (uvažujeme hliníkový rám),

•

dosažení dostatečné cestovní rychlosti (25km/h) a tomu odpovídající výkon přídavné trakční výbavy,

•

dojezd 50km,

•

příméřízení (pomocí volantu).

3.2 Konstrukční řešení 3.2.1

Rám, podvozek

Konstrukce se čtyřmi koly vyžaduje řešení negativního působení krouticího momentu na rám vyvozeného přejížděním nerovností přední, resp. zadní nápravou. V případě lehkého šlapacího vozidla je možné uvažovat dostatečně tuhýrám, hrozí ale nebezpečí, že při kritickém požadavku brzdění nebudou všechna kola v kontaktu s povrchem a tím se sníží 36

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa účinnost brzd. Jinou možností je osadit rám roštem (čepem) umožňujícím naklápění přední, resp. zadní nápravy, či vozidlo odpružit například nápravami typu MacPherson. Z cenového hlediska a hlediska trvanlivosti volíme prostřední variantu konstrukce. Rám vozidla je navržen jako svařenec z hliníkových obdélníkových profilů (Obrázek 26). Základ konstrukce tvoří podélný profil o délce 1700mm, který je v zadní části spojenpod úhlem 70° s profilem zádového op ěradla sedla (dále nosný rám). Nosný rám je v přední části zakončen čepem, na kterém je umístěna přední naklápěcí náprava. Takové uložení přední nápravy vede ke snížení krouticího momentu působícího na čep umístěný v zadní části nosného rámu na dolní straně, který spojuje podélný rám se zadní nápravou při najetí na povrchovou nerovnost. Zadní náprava je odpružená pomocí jednoho středového tlumiče a zahrnuje pouzdra pro dvě zadní nezávisle hnané poloosy.Na nosném rámu je dále upevněna vzpěra s vodícím pouzdrem řídící tyče, druhá vzpěra se středovým složením a druhým vodícím pouzdrem řídící tyče a konečně uložení řídící tyče. V zadní části jsou umístěny lyžiny umožňující polohování, posouvání skořepinového sedla v horizontálním směru.

Obrázek 26: Nosný rám vozidla [autor]

3.2.2

Ergonomie

Pro maximální výkon jezdce je rozhodujícím parametrem jeho poloha, při které je schopen dlouhodoběpodávat vysoký výkon.Studie (31) uveřejněná vHuman Power eJournal shrnuje dosavadní poznání o interakci jezdce se strojem během šlapání. Výsledná síla 37

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa člověka závisí na pozici jeho boků, délce klik s pedály, úhly pod kolenem během šlapání a frekvenci šlapání.V (32) byla zkoumána závislost podávaného výkonu jezdce na poloze sedla vůči pedálům17, přičemž bylo zjištěno, že maximálního výkonu se dosahuje při pozici, kdy stehenní kost svírá s vertikální kolmicí středového složení 75°, jak ukazuje Obrázek 27. V důsledku požadavku na nízké těžiště realizovaného vozidla uvedená poloha zcela neodpovídá, ale rozdíl je akceptovatelný.

Obrázek 27: Aparatura pro měřenízávislost výkonu jezdce na pozici pedálů (úhel 75°) (31)

Sedlo tvořískořepina přesně tvarovaná podle profilu zad určená pro osoby s výškou 180 až 190cm. Pomocí suchých zipů je na sedlo připevněno polstrování. Upevnění sedla na rám je navrženo tak, aby byl možný jeho vertikální posuv a zároveň i jeho natočení.

Obrázek 28: Model sedla – skořepina [autor]

17

Během testu se nepředpokládala jízda tzv. ze sedla, tedy pozice, během které jezdec stojí na pedálech a udílí maximální možnou sílu.

38


Řízení vozidla – geometrie řízení

Pro přesné řízení čtyřkolého vozidla je nutné respektovat požadavky na správné řešení geometrie řízení, přičemž vycházíme z Ackermanovy geometrie řízení (33)(34).Požadavkem je, aby se kola odvalovala a nikoliv smýkalapři jízdě do zatáčky a v přímém směru. Základní podmínkou geometrie je společný průsečík os všech kol, tzv. vnitřní systém (Obrázek 29).

Obrázek 29: Schéma Ackermanovy geometrie řízení (33)

Pro vnější úhel )* a vnitřní úhel ) platí )+

$

,-

. /

, )

$

,0

. /

(13)

Dalšími důležitými parametry správné geometrie řízení jsou odklon kola, příklon a záklon rejdového čepu a sbíhavost kol. V případě návrhu tohoto vozidla byly voleny následující hodnoty (Tabulka 2), které závisí na velikosti kol (20”) a byly stanoveny porovnáním s hodnotami používanými pro stavbu šlapacích tříkolek Thunderbolt MK III (35). Uložení rejdového čepu je uvedeno na Obrázek 30. Charakteristika Odklon kola [°] Záklon rejdového čepu [°] Příklon rejdového čepu [°]

Hodnota -3 12 15

Tabulka 2: Hodnoty odchylek rejdového čepu a kol(35)

Řízení může být realizováno pomocí volantu nebo řidítek umístěných nad nebo pod sedadlem. Velmi často se při konstrukci lehokol, resp. tříkolek používářízení pod sedadlem, což je výhodné pro pozici „vleže“. Především kuli požadavku na ojedinělý zážitek z jízdy bude

ovládánítohoto

prototypu

realizovánovolantem,

ne

nepodobnému

volantům

používaných u závodních speciálů. Páky brzd budou umístěny bezprostředně pod volantem, aby byla zaručena jejich snadná dosažitelnost v každém okamžiku. Převodové stupně budou ovládány palci a ukazováčky s využitím běžných cyklistických komponentů. Samotný volant (Obrázek 31) vychází z koncepce používané týmem závodního speciálu pro soutěž Formula Student/SAE vyvíjeného Fakultou Strojní ČVUT. Jedná se o laminátovou skořepinu vyztuženou hliníkovými trubkami, na které je možné nasadit běžné cyklistické komponenty (páky přehazovaček a akcelerátor elektromotoru). 39


Obrázek 30: Detail uložení předních kol, rejdový čep, táhla řídící tyče [autor]

Obrázek 31: Model volantu [autor]

3.2.4

Brzdová soustava

Vzhledem k předpokladu jednostranného uložení předních i zadních kol, přicházejí v úvahu pouze diskové nebo bubnové brzdy. Volíme řešení s mechanicky ovládanou bubnovou brzdou(Obrázek 32a)pro svou snadnou instalaci bez nutnosti úpravy rejdového čepu,která by byla nutná v případě použití kotoučových brzd.Průměr bubnů brzd je 70 mm. Brzdové páky (Obrázek 32b)jsou navrženy speciálně pro tento prototyp a kopírují tvar volantu, takže jsou při jakémkoliv manévru dobře dostupné. Vozidlo by mělo být vybaveno také parkovací brzdou.

(a)

(b)

Obrázek 32 (a) Bubnové brzdy Sturmy Archer (36), (b) model brzdových pák [autor]

3.2.5

Hnací ústrojí

Hnací ústrojí je tvořeno jednak pohonem lidskou silou s využitím klasických cyklistických komponent a jednak elektromotorem ovládaným akcelerátorem umístěným na volantu. 40

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa V případě čtyřkolého vozidla se pro přenos hnací síly na kola nabízí využití diferenciálu, nicméně pro zachování jednoduchosti bude přenos momentu vyvozeného lidskou silou přenášen pouze na pravou zadní poloosu a hnací moment elektromotoru na levou zadní poloosu. Toto uskupení je možné za předpokladu, že dodávaný výkon elektromotoru bude podobný výkonu dodávaného člověkem a za předpokladu, že poloměry zatáčení za dodávání plného výkonu budou dostatečně velké, aby nedošlo k výrazným rozdílům uhlových rychlostí hnaných kol. Stanovení potřebného výkonu a kapacity baterií je uvedeno v kapitole 3.4.3Návrh hnacího ústrojí, parametry skutečně použitého motoru jsou uvedeny v kapitole 4.2Elektromotor. Převodové ústrojí pro okruh poháněný lidskou silou je řešeno běžnou přehazovačkou, zejména z důvodu snadné a cenové dostupnosti. Konstrukčně přijatelnější by bylo použití bubnové přehazovačky, která nezpůsobítakovésnížení světlé výšky vozidla a výrazně omezí pravděpodobnost jejího poškození. Lze také užít bubnové kontinuální převodovky CVT, která je sice na evropském trhu dostupná, nicméně její cena je řádovědvoj až trojnásobná vůči standardní bubnové. Její výhodou je ale možnost automatickéhořazení převodového stupně. 3.2.6

Vedení řetězu

Oproti běžnému jízdnímu kolu se předpokládá výrazně větší délka řetězu (více než 2x), je proto nutné zajistit jeho krytí, resp. vedení. Nejčastěji se pro vedení řetězu na těchto typech dopravních prostředků používá polyamidové trubky, která zaručuje nízké tření. 3.2.7

Kola

Průměr kol je 20“ s výpletem 36 drátů jednak z důvodů jistého omezení daného nutností zachování prostoru pro nohy jezdce při maximálním natočení předních kol, dále pak předpokladem relativně vysokých bočních sil, které na kola, jak přední tak i zadní, působí při průjezdu zatáčkou.

3.3 Pevnostní analýza Pro kontrolu rámu byl použit program ANSYS Workbench 12.1. Výpočet pomocí metody konečných prvků je aplikován na zjednodušený 3D model rámu vozidla. Výstupem výpočtu je trojrozměrný model rozložení statických napětí a posunutí, přičemž velikost napětí je vyjádřena barevným spektrem. Model zatížení rámu je statický s dynamickým koeficientem bezpečnosti 3. Výpočetní soubory jsou umístěny na doprovodném CD. 3.3.1

Materiál rámu

Pro výrobu rámu byla zvolena hliníková slitina EN AW 7020 T6 (Al, Zn 4,5%, Mg 1%), která patří mezi nejpoužívanější pro výrobu cyklistických rámů. Vybrané vlastnosti materiálu

41

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa jsou uvedeny v Tabulka 3(37). Tloušťka obdélníkových profilů byla v modelu nastavena na hodnotu 2mm. Vlastnost Mez pevnosti Rm [MPa] Smluvní mez kluzu [Mpa] Svařitelnost Korozivzdornost

Hodnota 350 280 dobrá dobrá/uspokojivá

Tabulka 3: Vlastnosti použité slitiny pro výrobu rámu(37)

3.3.2

Mesh

Byla použita standardní meshovací síť s relevancí nastavenou na hodnotu 40. Síť byla dále zjemněna v okolí čepu, tedy na samotném čepu a kontaktních plochách čepu s ostatními díly. Statistické vlastnosti sítě jsou uvedeny v Tabulka 4. Statistics Nodes Elements

55120 27564

Tabulka 4: Vlastnosti sítě[autor]

3.3.3

Zatížení a okrajové podmínky

Zatížení konstrukce a její okrajové podmínky jsou uvedeny na Obrázek 33. Velikost zatížení vychází ze zvolené hmotnosti jezdce 100kg, která odpovídá hmotnosti horních 95% mužů. Konstrukce je posuzována jako statická, součinitel dynamické bezpečnosti byl nastaven na hodnotu 3, celková tíha vyvolaná zatížením jezdce je tedy 3x 981N = 2943N. Dále předpokládáme sílu vyvolanou zapřením zad při šlapání. Ta působí kolmo na zadní opěrný rám a je stanovena na hodnotu 700N, což je maximální předpokládaná síla, kterou jezdec působí do pedálů.Kontakt čepu s nosným rámem a kontakt čepu se zadní nápravou je považován za kontakt se třením, hodnota tření je nastavena na 0,1. V místě uložení zadních poloos je konstrukce vazbena podporami Cylindrical support umožňujícími natočení okolo osy z. V přední části, v místě uložení rejdových čepů byly použity podpory typu Remote displacement, rovněž umožňující natočení podle osy z a x a zabraňující posuvu ve směru osy x, y. Na podélnou plochu rámu byla aplikována podpora typu Smoothless support, která zabraňuje příčnému vybočení rámu, ale umožňuje posuvy v tečném směru. 3.3.1

Analýza posuvů

Obrázek 34 znázorňuje místa s největšími posuvy. Maximální posunutí (až 30mm) lze identifikovat v oblasti čepu, dále pak směrem k zádové části rámu. Tento posuv je umopžněn užitím tlumiče, jehož tuhost byla nastavena na hodnotu 100N/mm, resp. jeho tlumením 5Ns/mm. Zvolené nastavení odpovídá referenčním hodnotám standardně dodávaných cyklistických tlumičů. Použitý tlumič má zdvih 38mm – při uvedené tuhosti tedy posuvy odpovídají. 42


Obrázek 33: Zatížení konstrukce a její okrajové podmínky v prostředí ANSYS Workbench 12.1 [autor]

Obrázek 34: Deformace rámu [autor]

3.3.2

Napěťová analýza

Napěťová analýza ukazuje, že konstrukce je schopna přenést zvolené zatížení i s dynamickým koeficientem 3 (Obrázek 35). Je patrné, že maximální napětí dosahovalo řádově 130MPa, což je necelá polovina hodnoty meze kluzu uvedené v Tabulka 3.

Obrázek 35: Napěťová analýza rámu [autor]

43


3.4 Dynamika vozidla 3.4.1

Jízdní odpory

Na výsledném pohybu vozidla se podílejí tři hlavní síly (Obrázek 36): síla potřebná k akceleraci, tedy k získání kinetické energieFt(Traction Force), síla potřebná pro překonání stoupání, tedy k získání potenciální energie Fc(Climbing Resistance)a sílapotřebná pro překonání jízdních odporů, tedy odporu vzduchu Fa(Aerodynamic Drag) a valivého odporu Fr(Rolling Resistance).

Obrázek 36: Síly působící na pohybující se vozidlo (23)

Aby se vozidlo pohybovalo, musí pohonná jednotka vynaložit určitý výkon Pk, který je dán součinem rychlosti vozidla a velikostí výslednice sil: 12 · ∑ ,

(14)

kde 4 " 5 6 . Odpor vzduchu Síla působící proti pohybu vozidla vlivem aerodynamického odporu je složena ze dvou komponent: tvarového odporu a tření vzduchu. Při pohybu jsou vozidlo a jezdec obtékány vzduchem přičemž proudnice se za vozidlem neuzavírají, ale dochází k víření. Velikost odporu pak závisí na koeficientu odporu vzduchu Cd, tedy hodnotě ovlivněné tvarem a rozměry karosérie vozidla, čelní ploše vozidla S, rychlosti jízdy v a hustotě vzduchu ρ : 1 7 · 89 · : · # 2

(15)

Vypovídající hodnotu o aerodynamickém odporu má tzv. efektivní čelní plocha, která je dána multiplikacíCd·S. Hodnoty Cd se stanovuje na základě měření v aerodynamickém tunelu nebo na základě modelování CFX. Velikost čelní plochy určíme metodou projekce na rovinnou plochu (pohled zpředu). Hodnoty efektivní čelní plochy udává Tabulka 5, poslední řádek udává odhadované hodnoty pro vlastní prototyp. Hodnota Cd je odvozena od hodnoty stanovené pro lehokolo. 44

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa Vozidlo Trekové/cestovní kolo Horské kolo Silniční kolo Závodní kolo - kola s výplní Lehokolo Barracuda PROTOTYP

Cd 1.10 0.95 0.90 0.55 0.77 0.14 0.85

2

S [m ] 0.62 0.58 0.57 0.44 0.35 0.39 0.7

Cd·S 0.682 0.551 0.513 0.242 0.2695 0.0546 0.595

Tabulka 5: Hodnoty Cd, S a efektivní čelní plochy (38)

Valivý odpor Valivý odpor vzniká deformací pneumatiky a vozovky, jeho velikost závisí na součiniteli valivého odporu kola Cr a hmotnosti vozidla. Valivý odpor je dán vztahem 5 85 · · · ;<=>

(16)

Celkový valivý odpor je dán součtem valivých odporů jednotlivých kol. Hodnoty součinitelů valivých odporů některých pneumatik uvádíTabulka 6. Pneumatika Běžná penumatika pro treková kola Sportovní pneumatika Závodní silniční pneumatika Michelin Ecorun

Cr > 0,0075 0,0060 0,0050 0,0028

Tabulka 6: Hodnoty Cr(38)(39)

Odpor stoupání Hmotnost vozidla jedoucího vzhůru po nakloněné rovině způsobí vznik síly působící proti pohybu, jede-li vozidlo vzhůru nebo naopak ve směru pohybu, jede-li vozidlo dolů. Síla je vyjádřena jako 6 · · =?> Při praktických výpočtech se místo úhlu stoupání ve stupních často používá sklon, resp. stoupání svahu s, pro který platí =

@ A

B>, kde h je převýšení a l je průmět dráhy do

vodorovné roviny. Využíváme zde zjednodušení, že pro malé úhly platí =?> B>, můžeme pak rovnici přepsat do tvaru 6 · · =

(17)

Tento vztah je možné používat až do hodnoty α=17°, tedy s=0,3= 30 %, kdy rozdíl mezi sinα a tgα je asi 5%. Maximální stoupání silnic v ČR, pro které jsou lehokola určena především bývá do 12%.

45


Výkonová analýza

Výkon vozidla a schopnost hnací jednotky jej pohánět jsou velmi důležitými faktory, které není jednoduché určit nebo změřit naprosto přesně. Z hlediska posádky vozidla jsou důležité následující faktory(40): •

Maximální rychlost;

•

Maximální stoupavost naloženého vozidla při dosažení stanovené minimální rychlosti;

•

Akcelerace vozidla na referenční rychlost (v případě LEV na 25kmh)

Uvedené faktory budou nyní blíže rozepsány. Výkon pro udržení maximální rychlosti Udržení maximální rychlosti vozidla je limitováno dostupným výkonem hnací jednotky Pmaxa velikostí aerodynamického odporu. Při zanedbání všech ostatních ztrát, je maximální dosažitelná rychlost dána řešením rovnováhy: 1C D

1 E · 7 · 89 · : · C 2

(18)

Porovnáme-li rovnice 18 a rovnice 15 je patrné, že zatímco odpor vzduchu závisí na kvadrátu rychlosti jízdy, resp. proudění, výkon na jeho překonání závisí na její třetí mocnině. Lze tedy očekávat, že vliv odporu zásadně stoupá s rychlostí, proto je vhodné použití aerodynamických krytů či kapotování. Stoupavost při návrhové rychlosti Tento požadavek na výkon je relevantní pro dimenzování hnacího ústrojí nákladních vozidel, nicméně lze jej aplikovat i pro stanovení předpokládané dosažené rychlosti do kopce v podmínkách LEV. Vztah mezi maximálním výkonem Pmax a maximálním úhlem stoupání α při zanedbání všech odporových sil je pak dán 1C D · · F · =?>C Úhel α opět vyjádříme pomocí sklonu svahu s a rovnici přepíšeme 1C D · · F · =C

(19)

Akcelerace vozidla Akcelerace vozidla je bezesporu jedním z nejdůležitějších výkonových charakteristik vozidla. V našem případě budeme vycházet z požadavku na zrychlení z 0 na 25kmh. Při

46

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa stanovení požadovaného výkonu vyjdeme ze známého vztahu pro stanovení kinetické energie 1 G2 # 2

(20)

Jestliže zanedbáme všechny odporové síly, energie Ek bude odpovídat energii dodané I vozidlu. Pro střední hodnotu výkonu 1H, který udílí hnací jednotka, bude platit 1H 4J, kde t je K čas akcelerace. Toto zjednodušení předpokládá, že 1H LMN , kde Pmax je maximální #

výkon(40). Čas potřebný pro akceleraci na určitou rychlost je pak vyjádřen vztahem BD 3.4.3

# ·

1C

(21)

Návrh hnacího ústrojí

Z výše uvedených vztahů nyní stanovíme požadované výkony hnací jednotky. Vstupním parametrem je hmotnost vozidla i s jezdcem, která je stanovena na 150kg (včetně baterií).Dále uvedeme hodnoty výkonu nutného pro udržení určité rychlosti, tedy výkonu nutného pro překonání odporu vzduchu, výkon nutný pro stoupání do kopce a výkon pro akceleraci. Všechny hodnoty jdou přepočteny na reálný výkon za předpokladu, že účinnost elektromotoru vozidla η je 75%. Tabulka 7 ukazuje modelové hodnoty reálného výkonu elektromotoru potřebného pro překonání odporu vzduchu za dané rychlosti a různých koeficientů odporu vzduchu Cd. Hodnota 0,8 je odhadnutá pro prototyp, kapotáž vozidla by tuto hodnotu mohla výrazně snížit.

Cd 0,8 0,5 0,3

v [km/h] 15 34 21 13

20 81 51 30

25 159 99 59

30 274 171 103

Tabulka 7: Výkony P [W] pro překonání odporu vzduchu [autor]

Tabulka 8udává hodnoty výkonu potřebného pro jízdu vozidla po nakloněné rovině vzhůru. Orámované hodnoty vyznačené silně představují pracovní oblast a největší využití vybraného elektromotoru (viz kapitola 4.2Elektromotor) v součinnosti se silou člověka. Špičkový výkon elektromotoru dosahuje 450W, standardně ale dodává řádově 200W, člověk je schopen dodávat dlouhodobě 150 až 200W podle momentální kondice.

47

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa Stoupání [%] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

v [km/h] 10 55 109 164 218 273 327 382 436 491 545 600 654

12 65 131 196 262 327 392 458 523 589 654 719 785

14 76 153 229 305 382 458 534 610 687 763 839 916

16 87 174 262 349 436 523 610 698 785 872 959 1046

18 98 196 294 392 491 589 687 785 883 981 1079 1177

20 109 218 327 436 545 654 763 872 981 1090 1199 1308

22 120 240 360 480 600 719 839 959 1079 1199 1319 1439

24 131 262 392 523 654 785 916 1046 1177 1308 1439 1570

26 142 283 425 567 709 850 992 1134 1275 1417 1559 1700

Tabulka 8: Reálný výkon P [W] potřebný pro překonání odporu proti stoupání [autor]

Ze zjištěných charakteristik reálného motoru (viz kapitola 4.2Elektromotor) a použitého převodového poměru i lze odhadovat teoretické hodnoty akcelerace(Tabulka 9). t[s] 6 8 10 12 13 14 15

v [km/h] 10 257 193 154 129 119 110 103

15 579 434 347 289 267 248 231

20 1029 772 617 514 475 441 412

25 1608 1206 965 804 742 689 643

Tabulka 9: Reálný výkon P [W] potřebný pro akceleraci na určitou rychlost za určitý čas [autor]

3.4.4

Odhad dojezdu, propočet kapacity baterií

Za účelem kvalifikovaného odhadu byl porovnán GPS log trasy dlouhé bezmála 550km (Obrázek 37) projeté na běžném kole s GPS logem testovacího okruhu (Obrázek 46 – Kapitola 5.1). Porovnání výškových profilů obou tras popisuje Tabulka 10. Z průměrné hodnoty stoupání a srovnatelného maximálního stoupání je patrné, že testovací trasu lze považovat za odpovídající testovací vzorek.

Obrázek 37: Lokalizace analyzované trasy[bikemap.net]

48

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa trasa 504 1,2/-1,2 6,9/-10

vzdálenost [km] prům. stoupání/klesání [%] max. stoupání/klesání [%]

testovací okruh 4,43 1,8/-1,7 5,3/-6

Tabulka 10: Porovnání výškových profilů testovacího okruhu a reálné trasy

Testovaná trasa byla nejprve projeta na běžném jízdním kole za účelem získání logu. GPS log obsahuje informace o aktuální nadmořské výšce, tedy informace o výškovém profilu okruhu a informace o vlastní jízdě, tedy dosažené rychlosti s frekvencí 1Hz. Z uvedených informací lze stanovit celkový výkonvozidla potřebný k dosažení určité rychlosti v každém okamžiku podle předpisu 22, kde µ značí maximální účinnost elektromotoru(uvažujeme konstantní 75%), přičemž ostatní symboly byly vysvětleny výše v textu 1 1 1 · O · P = 7 · 89 · : # QR · 2 S

(22)

Uvedený model nezahrnuje vliv rychlosti větru proudícího proti směru pohybu, resp. z boku vozidla a valivý odpor. Výkon je dále přepočten na předpokládaný odebíraný proud aje vypočtena celková spotřebovaná energieE [Wh],za účelem odvození potřebné kapacity baterií. Z Tabulka 11 lze vyčíst, že pro dosažení průměrné cestovní rychlosti 23km/h na úseku dlouhém 4,4km je potřeba 81Wh. Uvažujeme-li rovnoměrné rozdělení práce mezi elektromotorem (8Wh/km) a jezdcem (10Wh/km), dostáváme spotřebuelektromotoru řádově 9,7Wh/km. Z hlediska hmotnosti, limitujících maximálních rozměrů a maximalizace dojezdu se jeví jako vhodné baterie 12V/18Ah řazené do série. Celková kapacita je 648Wh, přičemž se doporučuje tyto baterie vybíjet do 70% celkové kapacity. Čím je stupeň vybití baterie hlubší, tím kratší je její životnost (při vybíjení na 50%kapacity se životnost baterie zkracuje z 1200 cyklů na 400). Dostupná kapacita tedy bude řádově 194Wh (při 30% vybití), resp. 324Wh (při 50% vybití), očekávaný dojezd přibližně 25km, resp. 40km. -2

n.v. [m] l [m] s [] v [km/h] v [m/s] a [ms ] 286 6 0 22 6,11 0,56 285 6 -0,167 22 6,11 0,00 285 6 0 23 6,39 0,28 285 7 0 24 6,67 0,28 285 7 0 26 7,22 0,56 284 7 -0,143 27 7,50 0,28 284 7 0 27 7,50 0,00 průměr 23,09

F [N] 108,4 -220,2 67,9 69,2 113,6 -136,8 31,7

P [W] 662,2 -1345,8 434,0 461,4 820,6 -1026,1 238,1 průměr

I [A] 18,4 0,0 12,1 12,8 22,8 0,0 6,6 12,9

Wusek [J] Wcelkem[J] 650,2 3765 0,0 3765 407,6 4173 484,5 4658 795,4 5453 0,0 5453 222,2 5675 celkem 290355 W [Wh] 81

Tabulka 11: Modelový výpočet požadovaného výkonu vozidla [autor]

Druhou úvahou pro stanovení teoretického maximálního dojezdu s příšlapem vyjdeme z hodnoty průměrně odebíraného proudu, tedy řádově 7A. Z vybíjecí charakteristiky

49

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa baterie(dokumentace na přiloženém CD) lze stanovit, že takový proud je schopna dodávat po dobu 2h. Dojezd by tedy dosahoval 46km, nicméně stupeň vybití bude přes 50%.

3.5 Bezpečnostní aspekty Na zajištění bezpečí jezdce se podílí několik konstrukčních celků vozidla, které nyní přiblížíme. Nejprve popíšeme bezpečnostní prvky, kterými je vozidlo již vybaveno, dále popíšeme možná rozšíření. 3.5.1

Provedení konstrukce

Díky aplikaci otočného roštu na přední nápravě je zajištěn neustálý kontakt všech 4 kol při jakékoliv terénní nerovnosti. Pozice jezdce vleže, tedy nohama vpřed může být vnímána jako

bezpečnostní

výhoda

v porovnání

s běžným

jízdním

kolem,

protože

je

nepravděpodobné, že při nárazu dojde k „přepadnutí“ přes řídítka. 3.5.2

Osvětlení vozidla

Vzhledem ke skutečnosti, že výška vozidla je v porovnání s běžným jízdním kolem zhruba poloviční, naopak šířka vozidla dosahuje téměř 1m je nutné zajistit dobrou viditelnost vozidla v silničním provozu. Prototyp využívá vysoce svítivých pásů diod, jejichž počet je řádově 8 až 12 násobný oproti svítilnám používaných na běžných kolech. 3.5.3

Kapotáž

Kapotáž zajišťuje ochranu jezdce před nepřízní počasí, zejména při dešti, ale může být i ochranným prvkem chránícím jezdce při nárazu. Ačkoliv její instalace vede ke zvýšení celkové hmotnosti, může výrazně přispět ke snížení oporu vzduchu a tím snížit energetické nároky a zvýšit dojezd. Vozidlo bude vybaveno pouze blatníky na všech 4 kolech, pouzdry pro uložení trakčních baterií a odnímatelným zavazadlovým boxem. 3.5.4

Helma a nášlapné pedály

Při jízdě na jakémkoliv LEV, podobně jako při jízdě na jízdním kole je důrazně doporučeno nosit ochrannou helmu. Pozice nohou při šlapání se výrazně liší od běžného kola a hrozí zde sklouznutí nohy z pedálů a následné zranění. Z toho důvodu je vozidlo vybaveno nášlapnými pedály, které nechtěnému sklouznutí zabrání. Díky stabilitě vozidla nepůsobí žádné problémy při zastavení a zároveň umožňují zvýšení plynulosti hnací síly vyvozené jezdcem. Jezdec zabírá oběma směry, ne jen od sebe. 3.5.5

Výhled do budoucna

Pokud bychom uvažovali o přesunu vozidla z kategorie elektrokol do kategorie Z6e podle SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY 2002/24/ES, bylo by nutné vozidlo 50

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa dále opatřit: poutacími pásy, dvou-okruhovým brzdným systémem pro všechna kola, ochranou proti nepovolanému užití, zpětnými zrcátky, zvukovým výstražným zařízením a dalšími funkčními celky. Tato kategorie umožňuje vozidlo, jehož hmotnost v nenaloženém stavu nepřekročí 350kg (hmotnost baterií se nezapočítává), vybavit trakční jednotkou o maximálním trvalém jmenovitém výkonuaž 4 kW, maximální konstrukční rychlost v této třídě je 45kmh.

51


4 Realizace vozidla 4.1 Výroba vozidla Bylo realizováno čtyřkolé vozidlo, s hliníkovým rámem, odpruženou zadní nápravou a naklápěcí přední nápravou zabraňující namáhání na krut. Pohon levé zadní poloosy zajišťuje motor o výkonu 450W, pravá poloosa je nezávisle poháněna šlapajícím jezdcem. Vozidlo je ovládáno volantem, na kterém jsou instalovány veškeré ovládací prvky vozidla, zejména tedy brzdy, páky přesmykače, přehazovačky a akcelerační páčka elektromotoru. Volant umožňuje osazení navigačního panelu, resp. wattmetru pro sledování aktuální a celkové spotřeby energie odebírané z akumulátorů. Skořepinové sedadlo je potaženo prodyšnou změkčenou vrstvou, která zvyšuje komfort jezdce. Vozidlo bylo dále vybaveno prototypovými blatníky, které jezdce chrání při nepříznivém počasí a slouží také pro osazení akumulátorů. Navíc je vozidlo vybaveno odnímatelným zavazadlovým boxem o rozměrech 400x400x230mm,který umožňuje uložení měřících zařízení. Z důvodu bezpečnosti je vozidlo náležitě osvětleno vpředu 40 vysoce svítivými diodami bílé barvy vpředu a stejným počtem červených diod vzadu. Hlavní parametry vozidla jsou uvedeny v Tabulka 12. Model vozidla je uveden na Obrázek 38, skutečnou realizaci vozidla ukazujeObrázek 39. Hlavní parametry vozidla Délka Šířka Výška Hmotnost vozidla bez akumulátorů Hmotnost akumulátorů Celková hmotnost Minimální poloměr zatáčení

2200mm 900mm 1050mm 44kg 3x 6kg 62kg 4800mm

Tabulka 12: Hlavní parametry vozidla [autor]

52


Obrázek 38: Model vozidla ve 3D [autor]

53


(a)

(b) Obrázek 39 Realizované vozidlo v pohledu (a) zepředu, (b) ze zadu [autor]

4.2 Elektromotor Jako přídavný pohon vozidla byl použit kartáčový DC motor (Obrázek 40) s permanentními magnety o výkonu 450W, osazený na zadní odpružený rám vozidla. Výstupní otáčky jsou redukovány pomocí čelních ozubených kol s přímým ozubením. Hnací moment je přenášen řetězem 1/2“x3/32“ (standardní řetěz pro jízdní kola s přehazovačkou) na levou zadní poloosu, na které je pomocí čepu upevněna volnoběžná spojkas ozubenými koly. Motor je napájen stejnosměrným napětím 36V. Principielně se jedná o kartáčový čtyřpólový synchronní motor s permanentními magnety. Vnitřní stavba motoru je vyobrazena v příloze A. 54


Obrázek 40: Technické výkresy elektromotoru

Parametry motoru jsou uvedeny v následující tabulce (Tabulka 13).

Tabulka 13: Charakteristiky elektromotoru[Unitemotor]

Obrázek 41 ukazuje uložení motoru (1) na rámu a pastorky hnaných zadních poloos (2 a 3), uložených na volnoběžných spojkách. Zadní kola jsou poháněna nezávisle.

Obrázek 41: Mechanické upevnění elektromotoru (1), pastorky hnaných poloos (2 a 3) [autor]

Za účelem ověření maximálních a optimálních výkonových parametrů motoru byla proměřena jeho zátěžová charakteristika na dynamometru ASD 10 (asynchronní dynamometr do 10kW) a hodnoty vyneseny do Tabulka 14. Měřící stanoviště je vyobrazeno v Příloze A. Maximální účinnost 76% udávaná výrobcem se shoduje s naměřenými hodnotami(viz Tabulka 14 sloupec n[%]) a je vynesena do grafu (Obrázek 42). Hnací pastorek elektromotoru má 9 zubů, hnaná poloosa je osazena kazetou ozubených kol s volnoběžnou spojkou používanou na standardních jízdních kolech. Konstrukce 55

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa umožňuje změnu převodového poměru, která je možná výměnou zadního ozubeného kola. Pro testování byly vybrány převodové poměry9:15 a 9:20.Před konkrétním návrhem převodového poměru bylo experimentálně zjištěno, že jezdec je v rovinném terénu schopen dlouhodobě pohánět vozidlo rychlostí řádově 15km/h až 20km/h. Zvolené poměry umožní vozidlu dosahovat vyšších rychlostí a to až do rychlosti 25km/h při použití poměru 9:15.Vozidlo tak splňuje vyhlášku Ministerstva dopravy a spojů č. 341/2002sb., přílohy č. 13. Hodnoty uvedené v Tabulka 14 představují vypočtené hodnoty výstupního momentu přepočtené

na

rychlost

vozidla

vyplývající

z proměřené

výkonové

(momentové)

charakteristiky motoru (levá část tabulky). Pro běžný provoz při dosažení průměrné rychlosti 22kmh se bude průměrný odběr proudu pohybovat okolo 5A pro i 9:15. Výpočet teoretických rychlostí pro různé i Experimentální ověření parametrů motoru U= 36V i= 9:15 i= 9:20 Min rpm Izdroj Pin Pout n Mout rpmkolo v vozidlo Mout rpmkolo [Nm] [n] [A] [W] [W] [%] [Nm] [n] [km/h] [Nm] [n] 0.0 549 1.2 43.2 0.0 0.46% 0.00 -0.00 -0.5 544 2.0 72.0 28.5 39.86% 0.83 326.4 24.6 1.11 244.8 1.0 537 2.8 100.8 56.2 55.85% 1.67 322.2 24.3 2.22 241.7 1.5 531 3.5 126.0 83.4 66.27% 2.50 318.6 24.0 3.33 239.0 2.0 528 4.3 154.8 110.6 71.45% 3.33 316.8 23.9 4.44 237.6 2.5 521 5.2 187.2 136.4 72.92% 4.17 312.6 23.6 5.56 234.5 3.0 516 6.0 216.0 162.1 75.00% 5.00 309.6 23.3 6.67 232.2 3.5 510 6.9 248.4 186.9 75.20% 5.83 306.0 23.1 7.78 229.5 4.0 504 7.8 280.8 211.1 75.14% 6.67 302.4 22.8 8.89 226.8 4.5 498 8.6 309.6 234.7 75.74% 7.50 298.8 22.5 10.00 224.1 5.0 493 9.4 338.4 258.1 76.24% 8.33 295.8 22.3 11.11 221.9 5.5 488 10.3 370.8 281.1 75.78% 9.17 292.8 22.1 12.22 219.6 6.0 483 11.1 399.6 303.5 75.95% 10.00 289.8 21.9 13.33 217.4 6.5 478 11.9 428.4 325.4 75.86% 10.83 286.8 21.6 14.44 215.1 7.0 473 12.8 460.8 346.7 75.09% 11.67 283.8 21.4 15.56 212.9 7.5 466 13.7 493.2 366.0 74.21% 12.50 279.6 21.1 16.67 209.7 8.0 460 14.6 525.6 385.4 73.34% 13.33 276.0 20.8 17.78 207.0 10.2 418 16.5 594.0 446.5 75.76% 17.00 250.8 18.9 22.67 188.1

v vozidlo [km/h] 18.5 18.2 18.0 17.9 17.7 17.5 17.3 17.1 16.9 16.7 16.6 16.4 16.2 16.0 15.8 15.6 14.2

Tabulka 14: Zátěžová charakteristika motoru při U = 36V; výstupní hodnoty pro převodový poměr i = 9:15 a i = 9:20 (MIn – točivý moment motoru, rpm – otáčky elektromotoru, Izdroj – odebíraný proud, PIn – teoretický výkon, Pout – reálný výkon, n – účinnost, Mout – přepočtený točivý moment na zadní poloose, rpmkolo – rychlost otáčení zadního 20” kola, vkolo – rychlost pohybu)[autor]

Efektivita Efektivita[%]

100.00% 80.00% 60.00% 40.00% 20.00% 0.00% 0.0

5.0

10.0 M[Nm]

Obrázek 42: Efektivita elektromotoru [autor]

56

15.0


4.3 Kontroler Kontroler (Obrázek 43)řídí chod motoru podle nastavení akcelerační páčky a je vybaven ochranou proti pod-vybytí baterií; baterie jsou automaticky odpojeny při poklesu pod napětí 28,8V.

Obrázek 43: Kontroler elektromotoru[dokumentace zakoupeného produktu, příloha CD]

Bylo proměřeno napětí a proud na vstupu a výstupu z kontroleru při chodu na prázdno (Obrázek 44a), resp. při chodu motoru bez zátěže (Obrázek 44b) při vstupním napětí U036V. Při chodu na prázdno byl změřený odebíraný proud I0 0,005A, příkon kontroleru P0 je tedy řádově 0,18W. Z toho důvodu by při delším nepoužívání měl být od baterií odpojen, aby nedocházelo k jejich vybíjení.Při 36V se motor bez zátěže roztočí na 544rpm a odebírá 1,2A, což se shoduje s charakteristikami udávanými výrobcem.

(a)

(b)

Obrázek 44: Sejmuté průběhy vstupního a výstupního napětí a proudu na kontroleru (a) při chodu naprázdno, resp. (b) při nezatíženém chodu motoru. Označení jednotlivých kanálů: oranžová – vstupní napětí, zelená – výstupní napětí, modrá – vstupní proud, růžová – výstupní proud.

4.4 Akumulátory Byla provedena analýza dostupných typů baterií na českém trhu a zjištěn nejlepší poměr cena/výkon pro olověné baterie jak ukazujeTabulka 15.Údaje byly zjištěny od těchto dodavatelů: GES Electronics; ekolo.cz; e-pohon.cz; i4wifi.cz.

57

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa Technologie U=36V SLA LiPol Li-ion LiFePO4 LiFePO4

SLA LiPol Li-ion LiFePO4 LiFePO4

Číslo 1 2 3 4 5

Hmotnost [kg] 17,1 4,1 5,2 5,2 8,4

Kapacita [Ah] 18 14 16 16 17

Energie [Wh] 648 504 576 576 612

Měrná kapacita [Wh/kg] 37,89 122,93 110,77 110,77 72,86

Cena Nabíjecí proud Cena s DPH nabijecky Cena za Wh [A] [kč] [kč] [kč] 1,6 2 300 Kč 200 Kč 3,5 Kč 14 999 Kč 2 581 Kč 29,8 Kč 2 az 5 11 940 Kč 898 Kč 20,7 Kč 2 az 5 10 776 Kč 898 Kč 18,7 Kč 8 az 14 10 836 Kč 898 Kč 17,7 Kč

Rozměry v-š-h [mm] 3x 167x181x77 370x112x98 360x148x83 275x135x85 3x 167x181x77

Cena za Wh s nabíječkou [kč] 3,9 Kč 34,9 Kč 22,3 Kč 20,3 Kč 19,2 Kč

Objem [dm3] 6,98 4,06 4,42 3,16 6,98

Poznámka 1 2 3 4 5

Poznámka špatná dostupnost 36V nabíječky v ČR (cena nabíječky 12V/0,5 až 4A - 200 až 700kč) včetně hliníkového krytu včetně hliníkového krytu včetně BMS, bez hliníkového krytu stejné boxy jako pro SLA baterie Tabulka 15: Srovnání parametrů baterií dostupných na českém trhu

Byly zvoleny trakční baterie značky Alarmguard 12V 18Ah s následující vybíjecí charakteristikou (Obrázek 45a). Uvažujeme-li průměrnou cestovní rychlost 23km/h, bude při převodovém poměru 9:15 průměrný odběr proudu 7A (viz Tabulka 14). Jak vyplývá z kapitoly 3.4.4, odhadovaný dojezd bude dosahovat 50km v závislosti na konkrétním výškovém profilu trasy a stavu baterií a příšlapu jezdce.

(a)

(b)

Obrázek 45: (a) Vybíjecí charakteristika vybraných baterií, (b) nabíjecí cyklus olověných akumulátorů(41)

Pro nabíjení byla zvolena mikroprocesorem řízená třístupňová nabíječka WILSTAR 12V / 4A pro SLA akumulátory AGM/GEL s kapacitou 15-50Ah. Akumulátory jsou nabíjeny jednotlivě, proces nabíjení respektuje průběh nabíjecího napětí podle Obrázek 45b.

58


4.5 Finanční kalkulace projektu Tabulka 16uvádí reálnou celkovou finanční kalkulaci projektu. Celkové náklady dosáhly 35 600Kč (v částce nejsou zahrnuty další náklady, které byly vynaloženy na provádění měření, zejména výroba některých měřících čidel). Konstrukční celek Rám

Celkem Sedlo Celkem Kola

Celkem Řízení

Komponenta/díl Kusů Al-jackl 60x40x4 9,3kg Al-jackl 50x30x3 4,7kg Al-trubka 26x4 0,05kg Al-trubka 30x2 0,6kg Al-trubka 30x2 1,15m Al-trubka 20x2 1m Tlumič Čep výroba rámu - vaření výroba rámu - řezání výroba rámu - soustružení

Cena vyroby

1 1 5 5 2

500 300 400

Sedlo + doprava Poplatek bance Ocel tyč 17 2kg Al trubka Ložiska 4 Pojistný kroužek 10 Dveřní zarážka 2 Náboje s bubnovou brzdou 2 Doprava nábojů Zadní náboje - výroba 2 Výplet nábojů 4 Ráfek 4 Duše 4 Plášť 4 Draty 176mm, pozinkovane (200)200 Matičky na draty (200) 200 Dráty 184 100 Doprava drátů a matiček Loctite 3430 Tmel + brusný papír výroba volantu Al-trubka 20 Závitová tyč Hlavové složení Hřídelový kloub Úhlový kloub rejdové čepy - výroba brzdové páky - výroba Bowden Axialni lozisko Omotávka volantu

500 250

24ml 8

200

2 1 4 2 2 2 1 1

500 300

1,6m 0,98kg

Celkem

59

Cena nákupu s DPH práce 1246 1495,2 629 754,8 10 12 96 115,2 60 36 201 80 2500 1500 800 2754,2 4800 1827 250 2077 55 66 0 128 153,6 20 24 120 2754 110 1000 1000 120 480 85 340 145 580 184 211 100 270 6392,6 1000 437 269 1600 69 54 500 552 456 1000 600 292 50 100 2779 3200

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa Pohon

Středové složení přesmykač kazeta 8 koleček volnoběžka kliky šrouby pro dotažení klik pedály měnič řazení řetěz PA trubka

1 1 1 1 1 2 1 1 1 3

70

1m

Celkem Spojovací materiálI. Celkem II. Krytování PE deska 2 x 1m PE folie 4m 3mm spojovací kabel Spojový úhel 4 petlice s okem 1 truhlový závěs 2 práce 8 Celkem Elektroinstalace oboustranná páska 1 baterie 12V 8Ah 1 nabíječka 1 diody 16x5 spínače 2 kabel 4m, dvojlinka 0,75mm Celkem Elektropohon 450W motor 36V 1 36V Kontroler 1 kazeta 8 koleček volnoběžka rukojeť 1 Další příslušenství k motoru Watt metr 1 Baterie 12V/18Ah 3 Kabel dvojlinka 5m Kabel dvojlinka 2x 1,5mm 3m Kabel dvojlinka 2x2,5mm 3m Faston zásuvky Celkem CELKEM

200

Tabulka 16: Celková finanční bilance

60

300 170 166 360 205 80 470 214 516 210 40 2731 60 362 423 60 100 38 22 38 258 89 530 160 360 75 34 1248 1235 380 166 360 190 570 570 2215 72 60 60 20 5898 24922

1600 1600

10600


5 Ověření jízdních vlastností vozidla 5.1 Testovací trasa Testovací trasa je složena z několika terénních profilů. Jedná se o uzavřený okruh o délce 4,388km (Obrázek 46) vedoucí po asfaltové silnici s běžným provozem. Na mapce se znázorněnou trasou jsou číselně vyznačeny jednotlivé úseky testovací trasy (Obrázek 47), jejich parametry shrnuje Tabulka 17. •

stoupání (č. 1),

•

rovinný(č. 2),

•

klesání (č. 3) –ověření maximální konstrukční rychlosti,

•

akcelerace (č. 4) – úsek pro testování pohonu pouze elektromotorem.

Obrázek 46: Testovací trasa s vyznačenými úseky [autor]

Úsek Délka [m] Start Konec č. Úsek 1 Stoupání-I 381 268 649 Stoupání-II 376 2260 2636 2 Rovinný 620 1640 2260 3 Klesání 1450 2636 4086 4 Akcelerace 218 1380 1598 Celkem 4388

Úhrnné hodnoty

Maxima

Průměry

Klesání [m]

Stoupání [m]

Klesání [%]

Stoupání [%]

Klesání [%]

Stoupání [%]

---6,79 -20,3 -1,25 -39

11,6 10,5 4,7 2,7 1,2 39

---4,1 -6 -2,3 -6

5,4 5,8 3,3 1,7 1,5 5,3

---1,7 -1,8 -1,5 -1,7

3 2,7 2 0,7 0,9 1,8

Tabulka 17: Parametry jednotlivých úseků trasy [autor]

61


Obrázek 47: Výškový profil trasy s vyznačením sledovaných úseků [autor]

5.2 Metodika hodnocení vozidla Cílem měření je stanovení koeficientu asistence motoru, který je určován na základě poměru energie dodané vozidlu jezdcem a elektromotorem vůči energii potřebné pro pohon vozidla bez trakce. Energie, kterou vynaložil jezdec je určena ze znalosti jeho aktuálního výkonu v daném úseku, tedy na základě měřené síly, kterou jezdec působil při šlapání na pedály a úhlové rychlosti otáčení pedálů. Pro měření síly působící na pedál byl zhotoven speciální tenzometrický senzor (viz kapitola 5.3). Výkon elektromotoru je dán průběhem odebíraného proudu z baterií (proudová sonda), průběhu napětí v trakčním obvodu(odporový dělič) a znalosti účinnosti elektromotoru. Za účelem určení asistenčního koeficientujsou nejprve stanoveny tzv. referenční hodnoty potřebné energie, kdy se měří vozidlo samotné bez trakční výbavy. Trasa je projeta třikrát: a) pomalu, b) střední rychlostí, c) maximální rychlostí (maximální síla jezdce). Jsou stanoveny hodnoty potřebných energií, které jsou linearizovány, je stanovena závislost dodané energie na průměrné rychlosti. Známe-li tento průběh, můžeme porovnávat vozidlo bez trakční výbavy a s ní při dosažení libovolné průměrné rychlosti vozidla s trakcí. Vozidlo s trakcí využívá maximálního výkonu elektromotoru18. Testováno bylo vozidlo se dvěma různými převodovými poměry 9:15 a 9:20. Asistenční koeficient představuje rozdíl mezi energií vynaloženou jezdcem pro dosažení určité průměrné rychlosti na vozidle bez trakční výbavy a s ní.

18

Oproti jízdním testům ExtraEnergy.org je zde rozdíl, protože komerčně vyráběné elektromotory umožňují nastavení míry asistence elektromotoru.

62

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa Autor si dále klade za cíl porovnat energetickou náročnost běžného jízdního kola a vozidla s trakční výbavou a bez ní. Z toho důvodu je vybraná trasa opět projeta třikrát na jízdním kole a linearizací stanovena závislost dodané energie na průměrné dosažené rychlosti. Dále je porovnána energie dodaná jezdcem jízdnímu kolu a vozidlu s a bez trakční výzbroje. Testovaná vozidla: •

Vozidlo bez elektrické trakce (3x),

•

Vozidlo HEH s použitím motoru, převodový poměr 9:15,

•

Vozidlo HEH s použitím motoru, převodový poměr 9:20,

•

Běžné jízdní kolo (3x).

Výsledky všech měření jsou porovnány s modelovým výpočtem potřebného celkového výkonu podle rovnice 22. Abychom zjistili, v jakém režimu, resp. zátěžovém pásmu (Obrázek 48) pracoval jezdec, jsou sbírána data o tepové frekvenci jezdce. Výsledkem je porovnání vlivu pozice jezdce na krevní oběh při jízdě na běžném kole (vertikální pozice) a pozici lehokole (horizontální pozice).

Obrázek 48: Tabulka zátěžových pásem(42)

5.3 Způsob měření Pro záznam odebíraného proudu, průběhu napětí, kadence a působící síly na pedál byla zvoleno DAQ (Data Acquisition) zařízení společnosti National Instruments(43). Multifunkční karta NI USB 6009 (Obrázek 49)byla zapouzdřena do krytu umožňujícího spojení s měřícími detektory pomocí banana konektorů. Podrobná dokumentace karty je uvedena na přiloženém CD.

63


(a)

(b)

Obrázek 49: (a) Multifunkční karta NI USB 6009(43) (b) Speciální kryt karty s banana konektory[autor]

Karta je připojena k přenosnému počítači pomocí USB portu a data jsou zaznamenávána v reálném čase pomocí aplikace DEWESoft 7 v diferenciálním režimu karty.Vzorkovací frekvence byla nastavena na 2kHz z důvodu vysoké pracovní frekvence měniče. Stejná vzorkovací frekvence byla nastavena pro snímání kadence i síly působící na pedálz důvodu možnosti nechtěného podvzorkování dat.

Obrázek 50: Uložení měřící techniky v zavazadlovém boxu [autor]

5.3.1

Měření napětí

Maximální vstupní napětí karty je 5V, zatímco předpokládané napětí na trakčních bateriích se pohybuje v rozmezí od 29 do 38V (baterie 3x 12V zapojené do série). Pro snímání a záznam průběhu napětí v čase byl vytvořen odporový dělič se třemi odpory podle následujícího schématu (Obrázek 51).

64


Obrázek 51: Schéma děliče napětí [autor]

Vstupní napětí měřené na kartě se bude pohybovat v rozmezí 2,5 – 3,3V podle vztahu # · 5.3.2

T

#

#

E

(23)

Měření proudu

Proud odebíraný motorem je měřen pomocí proudové sondy od společnosti Telcon (Obrázek 52). Tato sonda funguje na principu Hallova efektu. Vodič prochází otvorem uprostřed, přičemž maximální možná hodnota proudu pro měření je 300A. V našem případě dosahuje maximální proud 22A (nárazově 45A).

Obrázek 52: Proudová sonda Telcom HT300M [autor]

5.3.3

Wattmetr

Wattmetr umožňuje sledovat aktuální odebíraný proud, napětí na bateriích, dále zobrazuje informace o celkové spotřebované energii E[Wh], náboj odebraný z baterie Q[Ah], špičkový dodávaný výkon P[W]a špičkový dodávaný proud I[A].Dokumentace k zařízení je uvedena na příloženém CD.

65


Obrázek 53: Turnigy 130A Watt Meter and Power Analyzer[Hobbyking.com]

5.3.4

Měření kadence

Pro měření kadence byl použit magnetický jazýčkový kontakt (Obrázek 54a))(44), který je zapojen podle schématu uvedeného na Obrázek 54b.

(a)

(b)

Obrázek 54 (a) Magnetický jazýčkový kontakt, (b) Zapojení[autor]

5.3.5

Měření síly působící na pedál

Princip Pro měření síly působící na pedál byly použity deformační členy (Obrázek 57c) s tenzometry z digitální osobní váhy. Protože digitální váha je dimenzována na vážení do 150kg, lze očekávat, že jednotlivé deformační členy budou dimenzovány řádově na čtvrtinu maximální hmotnosti, tedy zhruba 35kg. Aby se předešlo nechtěné trvalé deformaci při plném působení síly na pedál (až 700N na pedál), byly pro konstrukci použity dva deformační členy. Tenzometry na deformačních členech jsou zapojeny do Wheatstonova půlmostu. Při zatížení se deformuje deformační člen (Obrázek 57c) a dochází ke změně odporu v tenzometrickém můstku. Změna odporu je zaznamenávána jako změna napětí v řádech mV. Signál z obou snímačů je zesílen pomocí nízko-šumového operačního zesilovačeNJM4580L (dokumentace k produktu je uvedena na přiloženém CD). Provedení Následující schéma (Obrázek 55) ukazuje zapojení obvodu pro zesílení snímaného napětí, které se mění v závislosti na změně odporů tenzometrických můstků.

66


Obrázek 55: Schéma zapojení zesilovacího obvodu tenzometrického senzoru [autor]

Kalibrace senzoru Během kalibrování bylo zjištěno, že odezvu senzoru, tedy změnu napětí, značně ovlivňuje úhel, pod kterým na něj působí zatěžovací síla a přesné místo působiště, což je dáno užitím ocelové podpory v přední části. Aby kalibrace odpovídala plánovanému skutečnému zatěžování, byla provedena tak, že jezdec sám působil na senzor chodidlem definovanou silou na definovaném místě. Jezdec přesunoval postupně svou váhu z kalibrované osobní váhy na připravený senzor, přičemž byla odečítána jeho hmotnost na osobní váze. Byla stanovena následující závislost (Tabulka 18), vyplývající z níže uvedeného grafu(Obrázek 56) a zjištěno, žeodezva senzoru je lineární. Poté bylo zařízení kalibrováno pomocí olověných závaží a byla potvrzena skutečnost, že pro zpřesnění měření by nášlapná plocha nesměla být zapřena ocelovými podporami, které byly použity z důvodu dosažení větší stability. Od původního záměru působit přímo na čidla bylo upuštěno, protože pedál byl příliš vratký a šlapání nebylo možné.

67

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa Jezdec m [kg] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

F [N] 0 49,05 98,1 147,15 196,2 245,25 294,3 343,35 392,4 441,45 490,5 539,55 588,6

Olověná závaží U [mV] m [kg] F [N] U [mV] -16 0 0 -16 40 5,1 50,031 49 160 10,7 104,967 95 220 16,4 160,884 150 280 21,8 213,858 200 350 27,5 269,775 250 410 33,1 324,711 302 480 38,5 377,685 368 550 44,1 432,621 425 610 49,6 486,576 487 690 55,1 540,531 565 750 ---810 ----

Tabulka 18: Kalibrace senzoru měření síly působící na pedál [autor]

Uzávaží [mV]

Učlověk [mV] 1000 800 600 400 200 0 -200 0

200

y = 1.396x - 0.659 R² = 0.997

400

600 500 400 300 200 100 0 -100 0 200 y = 1.034x - 17.23 R² = 0.996

600

U [mV] Lineární (U [mV])

400 U [mV]

600

Lineární (U [mV])

Obrázek 56: Kalibrace senzoru [autor]

(a)

(b)

(c) Obrázek 57 (a) realizace obvodu na univerzálním pájivém poli, (b) uchycení na pedál, (c) deformační člen [autor]

68


GPS

Pro určování pozice a záznam projeté trasy byl zvolen GPS modul společnosti Garmin, GPS 18x USB (Obrázek 58a), který umožňuje přímé propojení s notebookem. Jedná se o vysoko-citlivostní GPS zařízení vhodné pro přesné měření, které umožňuje zaznamenávat aktuální informace o trase s frekvencí 5Hz. Pro správné a plné využití GPS modulu je nutná instalace programu Franson GPSGate. Tato aplikace umožňuje volbu virtuálních portů, na kterých bude toto zařízení vysílat informace pro jednotlivé virtuální porty počítače. Dokumentace k zařízení je uvedena na doprovodném CD. Záznam výškového profilu byl proveden pomocí GPS zařízení Garmin 60CSx (Obrázek 58b), který je vybaven snímačem atmosférického tlaku, měření výškového profilu je tedy přesnější než měřením pouze na základě GPS signálu, nicméně dostupný záznam má rozlišovací úroveň nadmořské výšky 1m a maximální vzorkovací frekvence je jen 1Hz.

(a)

(b)

Obrázek 58 (a) GPS 18x USB, (b) Garmin 60CSx[Garmin]

5.3.7

Tepová frekvence

Tepová frekvence byla měřena zařízením Ciclo Puls CS8 od společnosti Ciclo Puls (Obrázek 59). Zařízení umožňuje záznam a zobrazení průměrné tepové frekvence, maximální frekvence a zobrazení času, po který se tepová frekvence uživatele pohybovala ve třech pásmech. Pásma byla nastavena podle frekvencí jednotlivých zátěžových režimů (Obrázek 48).

Obrázek 59: Pulsmetr Ciclo Puls CS8

69


5.4 Zpracování dat Data jsou nejprve zaznamenána aplikací DEWESoft 7 (Obrázek 60), poté jsou exportována ve formátu .txta načtena do Matlabu. Datové logy před zpracováním a zpracovaná, filtrovaná data jsou uvedena na doprovodném CD.

Obrázek 60: Ukázka zaznamenaného logu (shora: průběh napětí, kadence šlapání, nadmořská výška, působící síla, průběh odebíraného proudu, rychlost vozidla)

Během zpracovávání dat se ukázalo, že se významně liší zaznamenaný výškový profil testovací trasy v jednotlivých měřeních. Z toho důvodu byla trasa proměřena navíc ještě barometrickou GPS vybavenou snímačem atmosférického tlaku. Takto získaný profil byl porovnán s ostatními změřenými a vybrán ten, který nejlépe odpovídal. Tento profil je pak použit pro zpracování všech datových logů. Pro účely modelového výpočtu celkového výkonu (podle rovnice 22) byla data uměle podvzorkována na 20Hz (zpracování měřené rychlosti), především z důvodu výpočetní náročnosti práce s 2000 údaji o každé vteřině. Navíc ani vlastní podrobnost záznamu by nevedla

k výraznému

zpřesnění

modelového

výpočtu,

který

vychází

z některých

odhadnutých konstant. Program DEWESoft umožňuje exportovat přímo data o dosažené rychlosti, kterou sám dopočítává pravděpodobně s frekvencí 1Hz, jak ukazuje pro prvních 50000 záznamů odpovídajících 25s (Obrázek 61a). Problém pak nastává při určování potřebného výkonu pro zrychlení, tedy získání kinetické energie. Právě skokové změny rychlosti se v něm projevují jako velmi krátké špičkové impulzy, ke kterým ale ve skutečnosti nedochází. Z tohoto důvodu jsou údaje o rychlosti vyhlazovány pomocí klouzavého průměru, počet dat je stanoven na 4000 hodnot, což odpovídá 2s záznamu (Obrázek 61b). Obdobně

70

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa je vyhlazena i nadmořská výška, jejíž skoková změna se projeví nárůstem výkonu pro překonání stoupání – získání potenciální energie. Nadmořská výška je průměrována po 10m ujeté vzdálenosti. Data pro výpočet výkonu elektromotoru (průběh proudu a napětí) jsou ponechána beze změny. Ve své podstatě reprezentují aktuální elektrický příkon, který je nutné přepočítat na výkon pomocí známé hodnoty účinnosti motoru.

(a)

(b)

Obrázek 61 (a) Exportovaný průběh rychlosti, (b) vyhlazený průběh rychlosti [autor]

Pro zjištění výkonu jezdce je třeba vycházet ze skutečnosti, že průběh síly působící na pedál má sinusový, či případně trojúhelníkový charakter. Předpokládejme, že hodnota působící síly bude mít amplitudu 300N a tvar sinusoidy. Protože jezdec zabírá pouze jednu polovinou otáčky (neuvažujeme nášlapné pedály, které umožní tah), je nutné změřenou sílu působící na pedál násobit váhovou funkcí, která bude mít tvar a) sinusoidy (Obrázek 62a) ve tvaruUB 'V=W=?XBY, nebo b) trojúhelníkovéfunkce (Obrázek 62) UB C "

'V= P

ZLMN #

· B " 0,5R.

(a)

(b) Obrázek 62: Vážení síly působící na pedál (a) pomocí sinusoidy, (b) pomocí trojúhelníkové funkce.

71

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa Výslednou působící silou pak bude střední hodnota nově získané funkce. V našem případě je střední hodnota vstupní síly 150N. Výsledná střední hodnota po vážení dává 127,3N (a), resp. 121,6N (b). Protože ve vzorcích se objevují oba typy signálu působící síly (sinusový i trojúhelníkový) budeme uvažovat průměrnou hodnotu 124,45, což odpovídá

]T^ T+++

amplitudy. Výsledná síla působící na pedál bude tedy dána amplitudou změřené síly v jednotlivém časovém úseku každé otáčky násobené konstantou 0,415. Porovnáním průběhů okamžité síly působící na pedál mezi běžným kolem a vozidlem byl zjištěno, že pravděpodobně z důvodu odlišného sklonu chodidla působícího na senzor se liší i tvar signálu ze senzoru. Tvar signálu při jízdě na kole (Obrázek 63a) se tvarem skutečně podobá výše uvedenému (Obrázek 62a) naproti tomu tvar signálu při jízdě na vozidle (Obrázek 63b, c) je spíše podobný sinusoidě nebo dokonce obdélníku. Z toho důvodu je střední hodnota pro vozidlo stanovena konstantou pro výpočet střední hodnoty dvou po sobě #

jdoucích kladných vln, amplituda násobená.

(a)

(b)

72


(c) Obrázek 63: Ukázky zaznamenaného logu okamžité síly působící na pedál pro (a) běžné jízdní kolo, (b) pro konstruované vozidlo při nižší rychlosti, (c) pro vozidlo při vyšší rychlosti [autor]

Obrázek 63 zachovává měřítko obou os, čtenář si může udělat jasnou představu o průběhu zaznamenávaného signálu. Pro signál zaznamenaný na vozidle je typický průběh zachycen naObrázek 63b. Obrázek 63c znázorňuje signál při vysoké úhlové rychlosti. Bohužel bylo zjištěno, že i velmi malá změna polohy chodila na pedálu v případě vozidla, vede k zásadní změně snímaného signálu. Při jízdě na běžném kole je poloha pedálu přibližně horizontální, to ale neplatí při šlapání vleže. Poznamenejme ještě, že právě pro horizontální polohu byl senzor kalibrován. Hodnoty uvedené v Tabulka 20 jsou tedy jen orientační. Kompletní výpočetní soubory jsou uvedeny na přiloženém CD pro každou datovou sadu.

5.5 Výsledky měření Díky provedeným měřením je k dispozici podrobný průběh rychlosti vozidla a výškový profil testovací dráhy. Nejprve tedy uvedeme zpřesněné modely pro stanovení celkových potřebných výkonů na ujetí dané trasy za daný čas. Tabulka 19 nám dává kvalifikovaný odhad energetické náročnosti vozidla a požadovaného průměrného výkonu v porovnání s běžným jízdním kolem. Oproti původnímu modelu vozidla vychází tyto modely pro vozidlo příznivěji, což je dáno zejména podrobnějším záznamem s vyšší vzorkovací frekvencí a vyšší rozlišovací úrovní (např. hodnoty nadmořské výšky původního modelu byly zaokrouhleny na celé metry, skokové změny pak vedly k nárůstu potřebného výkonu pro získávání potenciální energie). Za zmínku stojí, že vozidlo s trakcí je řádově až dvakrát výkonnostně náročnější oproti běžnému jízdnímu kolu, což je dáno zejména 4x vyšší hmotností a 2x vyšším valivým odporem. Rozdíl mezi běžným kolem a vozidlem bez trakce není příliš veliký a srovnání lze dosáhnout snížením hmotnosti vozidla zjednodušením konstrukce rámu. Model ukazuje, že je možné na uvažované trase udržovat

73

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa řádově stejnou rychlost jako na kole, s elektrickou trakcí je průměrná rychlost vyšší a dosahuje požadovaných 25km/h.

režim vavg [km/h]-log vmax [km/h]-log t [s] Pcl [W] Pa [W] Proll [W] Pacc [W] Pcelk [W] Wcelk [Wh] Spotřeba [Wh/km]

HEH bez motoru 1 2 14.7 18.7 31.3 31.8 17:59 14:09 40.5 53.6 45.2 78.6 47.3 58.6 29.1 36.8 162.2 227.5 46.3 51.3 10.6 11.7

HEH s elektromotorem Běžné kolo 3 9:15 - I 9:15 - II 9:20 - I 9:20 - II 1 2 20.4 21.5 25.3 21.2 20.5 16.7 18.7 32.6 31.9 31.9 32 30.1 27.1 27.3 12:53 12:36 10:23 12:21 12:28 15:45 14:06 61.9 98.8 103 81.9 84.7 38.3 45.2 98.9 131.5 153 92 91.6 60.1 81.8 63.9 82.4 87.5 73.6 73.4 19.4 21.8 38.6 54.3 46.8 49.4 67 15.2 24.9 263.3 367.1 390.4 297 316.6 133.1 173.7 54.3 66.5 66.7 59.8 62.7 34.9 39.9 12.4 15.2 15.2 13.6 14.3 8.0 9.1

3 21.9 30.2 11:58 55.5 127.3 25.4 31.8 240 46.5 10.6

Tabulka 19: Modelový výpočet výkonů potřebných pro pohon vozidla, energetická náročnost vozidla (vavg-průměrná rychlost, vmax-maximální rychlost, t-čas, Pcl-výkon pro stoupání, Pa-výkon pro překonání odporu vzduchu, Proll-vykon pro překonání valivého odporu, Pacc-výkon pro akceleraci, Pcelk-celkový průměrný výkon, Wcelk-celková energie pro testovací trasu, Spotřeba) [autor]

Následující grafy (Obrázek 64a, b) představují kumulativní nárůsty energií pro jednotlivé složky potřebných výkonů. Indexy se shodují s indexy výkonů uvedených v Tabulka 19.

(a)

(b)

Obrázek 64: Porovnání energetické náročnosti (a) vozidla vybaveného trakcí (9:15-II), (b) běžného jízdního kola (maximální výkon jezdce) [autor]

Tabulka 20 ukazuje porovnání výkonů jezdce pro vozidlo bez trakční výbavy, s trakční výbavou a jeho výkon na běžném jízdním kole. Poslední řádek dává informaci o odlišnosti vůči modelu uvedenému v Tabulka 19. Hodnoty výkonu a celkové dodané energie se nejvíce blíží pro měření na kole, kde se liší max. o 16%. Naproti tomu hodnoty výkonu jezdce na zkoumaném vozidle, jsou značně zkreslené a neodpovídají ani mezi sebou. Hodnoty celkové dodané energie vozidlu bez trakční výbavy v režimu 2 a 3 musely být ve skutečnosti 74

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa mnohem vyšší (proto také rozdíl oproti modelu o více než 30%). Je to dáno tím, že rozdíly v působících silách jsou příliš malé a celková dodaná energie závisí na čase. V režimu 2 a 3 byla trasa projeta za kratší časový okamžik. Vozidlo vybavené trakcí je porovnáváno s poloviční hodnotou celkové energie. Síla na pedál v případě s poměrem 9:15 značně přesahuje očekávání, dalo by se usuzovat, že přiřazení střední hodnoty tak, jak je uvedeno výše (tedy střední hodnota pro kladné sinusové vlny) zde neplatí. Aplikací prvního odvozeného koeficientu pro střední hodnotu bychom ale získali naopak nesmyslně nízké hodnoty. Znamená to, že pro pozici šlapání vleže by bylo nutné senzor příšlapu upravit, tak aby velikost síly nebyla ovlivněna jejím směrem působení. HEH bez motoru HEH s elektromotorem Běžné kolo 1 2 3 9:15-I 9:15-II 9:20-I 9:20-II 1 2 vavg [km/h] 14.7 18.7 20.4 21.5 25.3 21.2 20.5 16.7 18.7 vmax [km/h] 31.3 31.8 32.6 31.9 31.9 32 30.1 27.1 27.3 t [s] 17:59 14:09 12:53 12:36 10:23 12:21 12:28 15:45 14:06 Fpedal [N] 118.6 121.3 133.9 147 147 122.9 74.3 111.8 128.1 Pjezdec [W] 132.7 156.3 183.6 212.6 240.3 169.4 104.6 131.3 161.1 Ejezdec [Wh] 38.3 33.8 36.6 36.6 30 32.4 17.9 33 34.8 Kadence [rpm] 117 104 99 108 94 98 108 113 107 Porovná ní s model em E [Wh]

17.3% 34.1% 32.6% -10.1% 10.0%

-8.4% 42.9%

3 21.9 30.2 11:58 150.2 203.4 39 100

5.4% 12.8% 16.1%

Tabulka 20:Porovnání výkonu jezdce pro vozidlo bez trakční výbavy, s ní a pro běžné jízdní kolo [autor]

Obrázek 65 ukazuje průběh energie dodané jezdcem vozidlu. Sledujeme zde lineární průběh, což je dáno přibližně konstantním výkonem jezdce po celou dobu jízdy. V okolí časového úseku 300 jezdec nepřidával žádný výkon, jednalo se o úsek 4, kde je testována akcelerace a pohon pouze elektromotorem.

Obrázek 65: Kumulativní energie dodaná jezdcem vozidlu při měření 9:15-2 [autor]

Tabulka 21 reprezentuje výsledky měření vozidla s elektrickou trakcí s převodovými poměry 9:15 a 9:20. Testy pro obě varianty byly provedeny dvakrát. Vrchní oddíl předkládá 75

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa hodnoty naměřené wattmetrem (viz kapitola 5.3.3) a slouží pro porovnání s hodnotami měřenými pomocí karty NI 6009 (viz kapitola 5.3) uvedenými v druhém oddílu. Je patrné, že hodnoty Ehobby a Emotor jsou řádově stejné. Hodnota Ehobby představuje spotřebovanou energii, zatímco hodnota Emotorznačí skutečně dodanou energii vozidlu (účinnost elektromotoru dosahuje 75%). Dále je uveden průměrný výkon jezdce, Pjezdec a elektromotoru, Pmotor. Odchylka proti modelu (rozdíl Pcelkem, resp. Ecelkem) se pohybuje do 15%, což neplatí při druhém měření vozidla s převodovým poměrem 9:20. Hodnoty Q a E udávají hodnotu spotřebované elektrické energie na kilometr trasy (odvozeno z příkonu). Třetí oddíl tabulky je věnován odhadu dojezdu vozidla stanovený právě ze znalosti Q a E. V případě, že je vozidlo osazeno převodovým poměrem 9:20 činí maximální dojezd 55km při vybití baterií na 50%(takto dlouhý test nebyl dosud realizován). Průměrnou spotřebu vozidla s příšlapem můžeme porovnat se spotřebou obdobného elektrického vozidla zkonstruovaného na FEL ČVUT v roce 2008 (24). Možnost příšlapu se příliš neuplatnila vzhledem k jeho nevhodné konstrukci. V našem případě se na výkonu jezdec podílí z 50%, což odpovídá záměru vozidla. V případě vozidla FELčinila spotřeba 13,5 až 15,8Wh/km při dosažení průměrné rychlosti řádově 8km/h, tedy až 3x méně než v našem případě při zvýšené spotřebě. Maximální realizovaný dojezd činil 7,36km. Vozidlo bylo vybaveno rekuperací, která dosahovala účinnosti až 10%, otázkou ale zůstává, do jaké míry se baterie skutečně nabíjely. Obrázek

66

podává

informaci

o

průběhu

dodávaného

výkonu

elektromotoru

v jednotlivých úsecích. Jak je uvedeno v Tabulka 21 – řádek Imax a jak je patrné na obrázku, na sledovaném úseku 4 – Akcelerace (bez pomoci jezdce) dochází ke značnému přetížení elektromotoru v důsledku přechodových jevů. Toto přetížení dosahuje i více jak 2 násobku deklarovaného maximálního výkonu. Na obrázku jsou také patrné proudové průrazy při spuštění motoru a to zejména na počátcích úseků 1. Na úseku 2 sledujeme optimální režim práce motoru (přidává řádově 200W) s příšlapem jezdce.

76


Odhad dojezdu

Měření kartou NI 6009

Měření wattmetrem

HEH s elektromotorem 9:15 - I 9:15 - II 9:20 - I

9:20 - II

Qhobby [Ah]

1,33

1,17

0,7

0,75

Ehobby [Wh]

44,2

40,5

24,8

25,7

Pmax [W]

755

739

730

764

Imax [A]

22,6

22,53

21,9

22,2

Iavg [A]

6,4

7,6

3,9

3,7

Imax [A]-log

42

45

53

41

Pjezdec [W]

212,6

240

169,4

104

Pmotor [W]

170

201

106

102

Pcelkem [W]

382,6

441

275,4

206

Ejezdec [Wh]

36

36

30

14

Emotor [Wh]

36

35

22

21

72 55,6% -4,2% -8,3% 1,4% 2,5% 0,3 10,0 18,0 19,5 30,0 32,5

71 54,4% -13,0% -6,4% 1,4% 2,7% 0,3 9,1 20,4 21,3 34,1 35,4

52 61,5% 7,3% 13,0% 1,3% 3,2% 0,2 5,6 34,2 34,7 57,0 57,9

35 50,5% 34,9% 44,2% 1,3% 2,5% 0,2 5,8 31,9 33,5 53,2 55,8

Etotal [Wh] Podíl jezdce Porovnání s modelem P [%] Porovnání s modelm E [%] stupeň přetížení [%] stupeň přetížení [%]-log Q [Ah/km] E [Wh/km] s [km] z Ah (70%) s [km] z Wh (70%) s [km] z Ah (50%) s [km] z Wh (50%)

Tabulka 21: Výsledky testování vozidla vybaveného elektrickou trakcí [autor]

Obrázek 66: Graf okamžitého výkonu elektromotoru pro měření 9:15-II, rozdělení na měřené úseky [autor]

Dalším cílem práce bylostanovení asistenčního koeficientu motoru vozidla pro úseky 1 a 2. Bohužel ale není možné stanovit asistenční koeficient podle návrhu uvedeného v kapitole 5.2, protože nelze vhodně linearizovat hodnoty energií dodaných vozidlu při testování bez 77

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa motoru.Z toho důvodu provedeme alespoň porovnání vozidla s trakcí (měření 9:20-1) a jízdního kola, ze kterého vyplývá, že pro dosažení průměrné rychlosti 21,5km/h potřebuje jezdec na vozidle dodat přibližně o jednu třetinu méně energie než na jízdním kole (Tabulka 22). Lze usuzovat, že rozdíl při porovnání s vozidlem bez trakce, jak bylo uvažováno, by byl ještě markantnější. E jízdního kola vavg [km/h] Ecelk [Wh] 16.9 34.9 18.9 39.9 22.2 46.5 21.5 --

regrese 35.1391 39.4771 46.6348 45.1165

HEH 9:20-1 Ejezdec [Wh] Rozdíl [%] ------32.4 28%

Tabulka 22: Porovnání vynaložené energie jezdce při jízdě na jízdním kole a na vozidle vybaveného elektromotorem [autor]

Porovnání akcelerace vozidla s převodovým poměrem 9:15 a 9:20 pouze s využitím elektromotoru na úseku 4shrnuje Tabulka 23. Úsek dlouhý 218m ujelo vozidlo v obou případech za téměř shodný čas, což je způsobeno odlišným zrychlením a lze jej vysledovat na grafu okamžité rychlosti(Obrázek 67). V obou případech bylo dosaženo maximální rychlosti otáčení motoru pro zvolený převodový poměr. vozidlo 09:15-2 09:20-2

amax

1.4 0.9

t celkem [s]

45.5 44.7

vmax [km/h]

25.8 22.5

Iavg [A]

Pavg [W] Imax [A]

14.3 9.3

491.1 334.5

45.2 41.4

Pmax [W] E [Wh]

1551 1491

E [Wh/km]

6.2 4.2

29.8 20.2

Tabulka 23: Porovnání akcelerace vozidla 9:15 a 9:20 [autor]

(a)

(b)

Obrázek 67: Porovnání okamžité rychlosti (a) vozidla 9:15 a (b) vozidla 9:20 [autor]

Závěrem uvedeme proměřené tepové frekvence jezdce (Tabulka 24), ze kterých je patrné, že maximální hodnoty tepu Pulsmax shodně dosahují 159 tepů za minutu. Průměrné hodnoty tepu Pulsavg se shodují jak pro vozidlo bez trakce, s ní i pro běžné jízdní kolo.

78


PulsAVG PulsMAX Puls>170 Puls<> Puls>136

HEH bez motoru 1 2 117 132 130 00:00 00:00 17:59

141 00:00 03:09 11:00

HEH s elektromotorem Běžné kolo 3 9:15-I 9:15-II 9:20-I 9:20-II 1 2 147 104 147 126 131 109 129 157 00:00 11:20 01:33

130 00:00 00:00 12:36

159 00:00 08:24 01:59

143 00:00 00:50 11:31

147 00:00 02:50 09:38

129 00:00 00:00 15:45

145 00:00 03:54 10:12

Tabulka 24: Hodnoty tepové frekvence jezdce pro jednotlivé jízdy [autor]

79

3 148 159 00:00 09:30 02:28


6 Závěry a doporučení pro další vývoj 6.1 Závěr Byl realizován funkční prototyp lehkého elektrického vozidla s hybridním pohonem kombinujícího pohon lidskou silou s elektromotorem napájeným konvenčním typem baterií, který lze reálně využít pro rekreační účely nebo pro denní dojíždění do práce. Zároveň byly navrženy a realizovány jízdní testy. Pro potřeby vyhodnocení jízdních parametrů vozidla byl nad rámec práce zkonstruován senzor pro snímání okamžité síly působící na pedál vyvozené jezdcem s využitím technologie tenzometrických můstků. Jednomístná konstrukce vozidla byla zhotovena z hliníkových profilů. Aby byla zachována dostatečná tuhost rámu, byly zvoleny silnější hliníkové profily, což vedlo ke zvýšení celkové hmotnosti vozidla, ale zároveň i robustnosti a odolnosti vůči rázům. Na vozidle je použit prototypový volant s brzdovými pákami kopírujícími jeho tvar s důrazem na ergonomii ovládání vozidla. Hnací jednotkoubyl v průběhu projektu zvolen synchronní motor s permanentními magnety a výkonem 450W namísto původně plánovaných dvou BLDC motorů umístěných v nábojích zadních kol, především z důvodu nedostupnosti těchto motorů umožňující jejich jednostranné zavěšení a komplikovaného řešení přenosu lidské síly na hnací nápravu. Kladem je i nižší pořizovací cena, která by v případě dvou motorů byla minimálně dvojnásobná. Převodový poměr byl zvolen 9:15 a 9:20, tak aby motor zajišťoval výkon do maximální povolené rychlosti (25km/h) stanovené vyhláškou Ministerstva Dopravy. Zdrojem elektrické energie jsou olověné trakční akumulátory řazené do série s celkovou kapacitou 648Wh (36V/18Ah).Pro zajištění bezpečnosti jsou na vozidle montovány diody bílé a červené barvy v souhrnném počtu 80ks. Během jízdních testů bylo potvrzeno, že trakční jednotka je schopna dlouhodobě dodávat výkon až 200W a tím zajistit vyšší cestovní průměrnou rychlost. Na testovací trase s průměrnými parametry (stoupání, klesání, povrch) srovnatelnými s přes 550km dlouhou referenční trasou (Česká republika) dosahovalo vozidlo s převodovým poměrem 9:15 stabilně své konstrukční rychlosti až 30km/h, průměrná rychlost byla 25km/h. Za účelem porovnání výkonu jezdce a elektromotoru byl zkonstruován senzor okamžité síly působící na pedál. Funkčnost tohoto zařízení byla prokázána zejména při testech provedených na jízdním kole, kdy byl senzor zatěžován stejným způsobem jako při jeho kalibraci. Během testů na elektrovozidle se projevila závislost měřené síly na úhlu jejího působení způsobená užitím ocelových podpor pro umístění nášlapné plochy. Od původního záměru působit přímo na čidla muselo být upuštěno, protože pedál byl příliš vratký a šlapání nebylo možné. Testy

80

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa prokázaly, že pro dosažení průměrné rychlosti 21km/h vynaloží jezdec na vozidle vybaveném elektropohonem o 1/3 méně energie než na běžném jízdním kole.

6.2 Doporučení pro další vývoj Na základě zkušeností se stavbou vozidla lze definovat jasné cíle pro budoucí vývoj. V první řadě se jedná o zjednodušení samotného rámu a to zejména jeho zadní části. Tato se totiž ukázala poměrně složitou z hlediska výrobního procesu. Zároveň s využitím MKP dimenzovat rám na požadované úrovni pevnosti a dosáhnout maximálního možného odlehčení. Návrh nového prototypu by měl dále zahrnovat možnost skládání, což by vedlo k úspoře skladovacího prostoru, resp. ke zlepšení manipulace s vozidlem. Zásadní podíl na hmotnosti mají také akumulátory, které by v další fázi měly být nahrazeny technologiemi Liion, Li-POL nebo LiFePO4. Za úvahu také stojí užití BLDC motoru podobným způsobem, jako byl využit stejnosměrný motor během tohoto projektu. Dnešní BLDC motory jsou schopny dodávat větší momenty při nižších otáčkách, poskytují dobrý poměr hmotnosti a výkonu a především dosahují účinnosti až 95%. Takový motor by mohl být instalován včetně měniče nastavujícího výkon motoru podle dat z momentového či frekvenčního senzoru příšlapu (kapitola 2.3.4). Z hlediska řízení trakčního systému vozidla se zde nabízí možnost propojení monitorovacího systému, který by snímal a zaznamenával hodnoty odebíraného proudu s navigačním systémem, který zaznamenává projetou trasu a zároveň má informace o plánované trase a jejím výškovém profilu. Na základě projeté trasy může takový systém vyhodnotit pravděpodobné budoucí hodnoty vybíjecího proudu a potřebného výkonu pro jednotlivé úseky trasy a může jezdce upozorňovat v případě nedostatečné kapacity baterií, nebo mu doporučit body zájmu (POI), kde je možné baterie dobíjet. Bylo by také možné do určité míry optimalizovat trasu z hlediska energetické náročnosti stoupání, tedy navržení vhodnější, méně energeticky náročné trasy řidiči.

81


Citovaná literatura 1.

http://www.cyclegenius.com.

Cycle

Genius

Reumbents.

http://www.cyclegenius.com. [Online] http://www.cyclegenius.com/history.php. 2.

http://cs.wikipedia.org.

Wikipedie.

[Online]

10

2010.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Liegeraeder_1920er_Velorama.jpg. 3. www.samohyby.cz. Samohyby.cz. [Online] http://www.samohyby.cz/samohyby/4UZITECNE-INFORMACE/11-LEHOKOLA. 4.

http://cs.wikipedia.org.

Wikipedia.

[Online]

Ambike.

[Online]

http://cs.wikipedia.org/wiki/Velomobil#cite_note-1. 5.

http://ambike.com.

http://ambike.com/view.php?cisloclanku=2005051703. 6. Bilder. TrailCart. [Online] http://www.trailcart.eu/bilder/. 7. Gallery. SurreyCars. [Online] http://www.surreybikes.com/showroom.html. 8.

Recumbents.com.

World

Human

Powered

Speed

Challenge.

[Online]

http://www.recumbents.com/wisil/whpsc2010/speedchallenge.htm. 9.

adventuresofgreg.com.

ADVENTURESofGREG.

[Online]

http://adventuresofgreg.com/blog/category/hprecords/24hrdr/. 10. Kronika. K24. [Online] http://www.k24.signaly.cz/stranky/historie/2010.php. 11. Goodman, J. David. An Electric Boost for Bicyclists . NewYork Times. [Online] 31. 1 2010. http://www.nytimes.com/2010/02/01/business/global/01ebike.html?_r=1. 12. CoCycle. GoCycle. [Online] http://www.gocycle.com/. 13. Sinclair C5 - 1985. Speedace. [Online] http://www.speedace.info/sinclair_c5.htm. 14. Twike. Twike. [Online] http://www.twike.com/english/home/home.html. 15. Twike. Wikipedia. [Online] http://en.wikipedia.org/wiki/Twike. 16. Buchwaldek, David. HEPEV. HEPEV. [Online] http://www.esoteric-david.eu/czpage-33.html. 17.

HEPEV-diskuze.

nakole.cz.

[Online]

http://www.nakole.cz/diskuse/9104-novy-

velomobil.html. 18. Fuchs, Andreas.Series Hybrid Drive-System: Advantages for Velomobiles. Bern, Gutenbergstrasse 24 : Human Power eJournal, 2008.

82

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa 19. HTI, Andreas Fuchs | Hochschule für Technik und Informatik BFH -.Serie Hybrid E-Fahrrad-Antrieb. Schlussbericht : E-Management-Integration, Oktober 2005. 250117. 20. Jan Cappelle, Philippe Lataire, Gaston Maggetto, Romain Meeusen, Farid Kempenaers.

Characterisation

of

Electric

Bicycles

Performances.

[Online]

2002.

20.

2009.

http://etecmc10.vub.ac.be/publications/paperEVS-19.PDF. EVS-18. 21.

O'Dell,

John.

Blog

Edmunds.

Greencaradivisor.

[Online]

04

http://blogs.edmunds.com/greencaradvisor/2009/04/humancar-is-back-with-a-gridrechargeable-nev---people-still-needed.html. 22. Earth Day Special: The Human Car HC Imagine_PS. Futurecars. [Online] FutureCars. http://www.futurecars.com/future-cars/electric-cars/earth-day-special-the-humancar-hc-imagineps. 23. EMMA GRUNDITZ, EMMA JANSSON. Modelling and Simulation of a Hybrid Electric Vehicle for Shell Eco-marathon and an Electric Go-kart. Master of Science Thesis in Electric Power Engineering. Göteborg, Sweden : CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, Department of Energy and Environment, 2009. 24. Hřebík, Pavel.Trakční výzbroj vozidla s BLDC PM motory s planetovou převodovkou, vestavěnými v náboji kola. Praha : ČVUT, Fakulta elektrotechnická, Katedra elektrických pohonů a trakce, 2008. 25. Fuchs, A. Home. Series Hybrid Cycle Site by A. Fuchs. [Online] 10. December 2007. [Citace: 11. 11 2010.] http://homepage.bluewin.ch/andreasfuchs/. 26. Anthony P. Marsh, Ph.D. What Determines The Optimal Cadence? Cycling Science. [Online] 1996. http://www2.bsn.de/cycling/articles/cadence.html. CA 95819-6073. 27. Hull, M. L., Gonzalez, H., and Redfield, R. Optimization of pedaling rate in cycling using

a

muscle

stress-based

objective

function.

http://www2.bsn.de/cycling/articles/cadence.html. 1988, 4, 1-21. 28. James Larminie, John Lowry. Electric Vehicle Technology. John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England. [Online] 2003. www.knovel.com. ISBN 978-0-470-85163-0. 29. Regulator & Kits. Crystalite. [Online] Crystalite. [Citace: ] http://www.crystalyte.com/. 30. Products. Suzhou Victory Sincerity Co., Ltd. [Online] Suzhou Victory Sincerity Co., Ltd. http://jcebike.en.china.cn/.

83

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa 31. Landwer, Danny Too and Gerald E. Maximizing Performance in Human Powered Vehicles: A literature review and directions for future research. Human Power eJournal. [Online] 21. June 2008. http://www.hupi.org/HPeJ/0016/0016.html. 32. Too, D., & Landwer, G.E. Factors affecting performance in human-powered vehicles: a biomechanical model. Human Power: Technical Journal of the Human Powered Vehicle Association, 54. [Online] 2003. 33. [email protected]. Racing Car Technology. Racing Car Technology. [Online] http://www.smithees-racetech.com.au/ackerman.html. 34. kolektiv, Petr Janda a.Podvozek a karosérie. Ivančice : SOŠ a SOU dopravní a mechanizační Ivančice, 2007. 35.

Thunderbolt

Mk

III

Plans.

Hellbentcycles.

[Online]

Hellbentcycles.

http://www.hellbentcycles.com/order_plans.htm. 36. Archer, Sturmy. Helios Race. Helios Race. [Online] http://www.heliosrace.cz/. 37. S.R.O., ALCAN DĚČÍN EXTRUSIONS. Profily. [Online] http://www.alcan.cz. 38.

RECUMBENTS.COM.

RECUMBENTS.COM.

[Online]

http://www.wisil.recumbents.com. 39. Tire Rolling Resistance . Rouesartisanales. [Online] Rouesartisanales, 2006. http://rouesartisanales.over-blog.com/article-1503651.html. 40. Lino Guzzella, Antonio Sciarretta.Vehicle propulsion systems:introduction to modeling and optimization. Zurich : Springer, 2007. ISBN 978-3-540-74691-1. 41. Cetl, Tomáš.Aplikace elektrochemických zdrojů. Praha : Vydavatelství ČVUT, 2004. ISBN 80-01-02859-3. 42.

Krnov,

Cyklistika.

Tepová

frekvence.

Cyklisitika

Krnov.

[Online]

http://www.cyklistikakrnov.com/Clanky/Clanky/Proc-merit-tepovou-frekvenci.htm. 43. National Instruments - Products. National Instruments. [Online] National Instruments, 2011. http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201987. 44. Corporation, Cosmo Electronics. GM Electronics. GM Electronics. [Online] http://www.gme.cz/cz/p-mk472-p634-286.html.

84


Příloha A – Elektromotor, měření elektromotoru

(a)

(b)

(c) Příloha A: Vnitřní části elektromotoru: (a) horní část, (b) dolní část, (c) převodové ústrojí

85


(a)

(b)

(c)

86


(d)

(e) Příloha A: Měření elektromotru: (a – b) pohled na měřící stanoviště, (c) upevnění elektromotoru, (d) měřící stanoviště, (e) sondy pro měření proudu a napětí

87


Příloha B – Zapojení kontroleru motoru

88


Příloha C – ukázka výpočetního algoritmu 1 Výpočetní algoritmus modelu z naměřených hodnot okamžitých rychlostí a nadmořské výšky. clc; clear; fvz=2000;%vzorkovaci frekvence mereni v Dewesoftu Tvz=1/fvz; %nacteni souboru, definice velicin DELIMITER = '\t'; HEADERLINES = 11; newData = importdata('gps-v.txt', DELIMITER, HEADERLINES); cas=newData.data(:,1);% uplynuly cas vkmh=newData.data(:,2);% rychlost vysky = importdata('vysky.txt'); n=length(cas) %konecny index vyhodnocovani dat %prepocet rychlosti na m/s, nulovani v=vkmh./3.6; for k=1:n if v(k)<0.05 v(k)=0; end end %vyhlazeni rychlosti v=smooth(v,4000); %vyhlazeni vysky vysky=smooth(vysky,20); %podvzorkovani podvz=100; %hodnota podvzorkovani (musi byt stejna jako v profil.m) casF=zeros(floor(n/podvz),1); vF=zeros(floor(n/podvz),1); p=ones(n,1); poc=0; idx=1; for k=101:n poc=poc+p(k); if poc==podvz vF(idx)=mean(v(k-100:k)); casF(idx)=cas(k); poc=0; idx=idx+1; end end n2=length(vF); %vypocet vzdalenosti TvzF=Tvz*podvz; d=vF.*TvzF; dist=sum(d) %prirazeni hodnot podle vzdalenosti distUsek=0.5; %volena vzdalenost pro odber vzorku %(musi byt stejna jako pro urcovani vysky - viz soubor profil.m) soucet=0; %pocitadlo vzdalenosti pro odber vzorku distUsek

89

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa soucty=[]; %vypis jednotlivych vzdalenosti pro kontrolu alt=[]; %nadmorske vysky odebiranych vzorku rychlost=[]; %prumerna rychlost odebraneho vzorku predchozi=1; %index pocatku intervalu casF=[]; %cas odebiraneho vzorku idx=1; %indexace for k=1:n2 if idx<=8776 soucet=soucet+d(k); soucty(end+1)=soucet+d(k); if soucet>=distUsek alt(end+1)=vysky(idx); rychlost(end+1)=mean(vF(predchozi:k)); casF(end+1)=(k-predchozi)*TvzF; predchozi=k; idx=idx+1; soucet=soucet-distUsek; end end end pocetInt=length(alt); %vykon v kazdem okamziku m=150; %hmotnost vozidla s jezdcem g=9.81; %gravitacni zrychleni Cd=0.8; %koeficient odporu vzduchu Ro=1.25; %hustota vzduchu? S=0.7; %celni plocha vozidla fv=0.002; %soucinitel valiveho odporu %zrychleni a=[]; for k=2:pocetInt a(k)=(rychlost(k)-rychlost(k-1))/casF(k-1); end %sklon s=[]; for k=2:pocetInt s(k)=sin(atan((vysky(k)-vysky(k-1))/distUsek)); end %vypocet vykonu Fcl=zeros(pocetInt,1); Fa=zeros(pocetInt,1); Facc=zeros(pocetInt,1); Froll=zeros(pocetInt,1); F=zeros(pocetInt,1); Pcl=zeros(pocetInt,1); Pa=zeros(pocetInt,1); Pacc=zeros(pocetInt,1); Proll=zeros(pocetInt,1); Pcelk=zeros(pocetInt,1); Pc=zeros(pocetInt,1); for k=2:pocetInt Fcl(k)=m*g*s(k); if (Fcl(k)<0)

90

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa Fcl(k)=0; else Fcl(k)=Fcl(k); end Fa(k)=0.5*Ro*Cd*S*rychlost(k)^2; Facc(k)=m*a(k); if (Facc(k)<0) Facc(k)=0; else Facc(k)=Facc(k); end Froll(k)=fv*m*g*4; F(k)=Fcl(k)+Fa(k)+Facc(k)+Froll(k); Pcl(k)=Fcl(k)*rychlost(k); Pa(k)=Fa(k)*rychlost(k); Pacc(k)=Facc(k)*rychlost(k); Proll(k)=Froll(k)*rychlost(k); Pcelk(k)=rychlost(k)*F(k); if (Pcelk(k)<0) Pc(k)=0; else Pc(k)=Pcelk(k); end end % Vypocet energie Wb=zeros(pocetInt,1); WB=zeros(pocetInt,1); WFcl=zeros(pocetInt,1); WFa=zeros(pocetInt,1); WFacc=zeros(pocetInt,1); WFroll=zeros(pocetInt,1); for j=2:pocetInt WFcl(j)=WFcl(j-1)+Pcl(j)*casF(j); WFa(j)=WFa(j-1)+Pa(j)*casF(j); WFacc(j)=WFacc(j-1)+Pacc(j)*casF(j); WFroll(j)=WFroll(j-1)+Proll(j)*casF(j); Wb(j)=Wb(j-1)+Pcelk(j)*casF(j); WB(j)=WB(j-1)+Pc(j)*casF(j); end % prepocet na Wh WFcl=WFcl/3600; WFa=WFa/3600; WFacc=WFacc/3600; WFroll=WFroll/3600; Wb=Wb/3600; WB=WB/3600;

91


Příloha D – ukázka výpočetního algoritmu 2 Výpočetní algoritmus pro určení okamžitého výkonu jezdce a jím vložené energie. clc; clear; fvz=2000;%vzorkovaci frekvence mereni v Dewesoftu Tvz=1/fvz; %nacteni souboru, definice velicin DELIMITER = '\t'; HEADERLINES = 11; newData = importdata('filtred-F-ot.txt', DELIMITER, HEADERLINES); cas=newData.data(:,1);% uplynuly cas rpm=newData.data(:,2);% otacky F=newData.data(:,3);% sila pusobici na pedal r=0.17; %rameno pedalu n=length(cas); %konecny index vyhodnocovani dat indTd=0; for k=1:n-5 if (((rpm(k+5))<100)&(rpm(k)>=40000)&(k+1-indTd(end)>50)) indTd=[indTd;k+5]; end end indTd(1,:)=[];%nulovani prvni hodnoty dimindTd=length(indTd); Tdilci=zeros(dimindTd-1,1); %casove intervaly for k=1:length(indTd)-1 Tdilci(k)=(indTd(k+1)-indTd(k))*Tvz; end %vypocet pusobici sily pomoci stredni hodnoty lengTd=length(Tdilci); Fstr=zeros(lengTd,1); for k=1:lengTd Fstr(k)=max(F(indTd(k):indTd(k+1)))*0.53; end %kontrola kadence kadence=sum(Tdilci)/lengTd*60*2; %otacky za minutu %identifikace klidu (jezdec neslape) for k=1:lengTd-1 if indTd(k)<2 F(k)=0; else F(k)=F(k); end end %mean(Fstr) %vypocet uhlove rychlosti omega=zeros(lengTd,1); for k=1:lengTd omega(k)=2*pi/Tdilci(k); end

92

Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla Diplomová práce, Filip Korsa %vypocet vykonu Pj=Fstr.*omega; Pjezdec=Pj*r; %Energie jezdec Wb=zeros(lengTd,1); for j=2:lengTd Wb(j)=Wb(j-1)+Pjezdec(j)*Tdilci(j); end Wb=Wb/3600;

93

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ

Recommend Documents