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

Transkript

1 V02 - Nové koncepce a optimalizace pohonových ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci Koncepce zapojení a optimalizace distribuovaných zdrojů výkonu, tj spalovacích motorů včetně palivových článků a akumulátorů/kondenzátorů elektrické i mechanické energie 23A101 Simulační výzkum specifik vozidla jako celku, distribuovaných zdrojů výkonu a palivových článků jako součásti hybridní hnací jednotky. Popis aktivity a hlavní činnosti Sestavení matematického modelu pro odhad účinnosti pohonných řetězců s distribuovanými zdroji výkonu, palivovým článkem a s rekuperací energie pro zvýšení účinnosti v jízdním cyklu. Sestavení databáze účinností komponent pohonu. Kalibrace modelu podle experimentálních dat součinnost s 2.2 a 5.1.

2 V02 - Nové koncepce a optimalizace pohonových ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci Koncepce zapojení a optimalizace distribuovaných zdrojů výkonu, tj spalovacích motorů včetně palivových článků a akumulátorů/kondenzátorů elektrické i mechanické energie 23A101 Simulační výzkum specifik vozidla jako celku, distribuovaných zdrojů výkonu a palivových článků jako součásti hybridní hnací jednotky. Sestavení matematického modelu pro odhad účinnosti pohonných řetězců s distribuovanými zdroji výkonu, palivovým článkem a s rekuperací energie pro zvýšení účinnosti v jízdním cyklu. Model vychází z nároků na výkon v každém jízdním režimu rychlost - čas (podle testu, měření,...) podle pohybové rovnice daného vozidla s odpory. Hledá nejvýhodnější provozní bod daného pohonového řetězce (lze volit variátor nebo stupňovou převodovku). V případě hybridu rekuperuje brzdnou práci a podle nastavené strategie rozhoduje o případném dobíjení. Integruje výslednou spotřebu primární energie.

3 Hmotnostní hustota energie v nádrži Měrná energie v nádrži redukovaná na účinnost pohonu [kwh/kg]

4 Accumulation of electric energy 0.5 kwh: 50 g gasoline, 85 g chocolate, 3-17 kg batteries Energy density: Wh/kg Wh/kg, Charging cycles 2015: : 5500, Cost 2015: 215 /kwh : 140 /kwh. 1 kwh = 3.6 MJ NEDC consumption at wheels approx. 10 kwh/100 km, electric motor +accumulator 85%, i. e 12 kwh/100 km. For 120 Wh/kg i.e. 100 kg SI engine 6.4 dm 3 /100 km Energy density [Wh/kg] Specific Power [W/kg] ICE W/kg

5 Srovnání účinnosti využití energie v zásobníku na vozidle (TTW) pro evropský test spotřeby NEDC a jeho městskou část (UDC) i silniční část (EUDC). Hybridní a motorové pohony simulovány s přizpůsobením maximálnímu požadovanému výkonu (...x) a bez něho. Demonstrace reálného přínosu hybridizace rekuperací brzdné energie účinné jen ve městech. 3.5 Energy consumption [MJ/km] NEDC UDC EUDC 1,8 MJ/km=0,5 kwh/km=50 kwh/100 km 12 kwh/100 km 0 1.6FSI 1.2T 1.9TDI TDPx 2xTDI H2ICE PEMFC PEMFCPx 1.9TDIHyb TDPxHyb

6 Srovnání celkových účinností v evropském jízdním cyklu NEDC Powertrain efficiency [%] FSI Hybrid upper estimated eff. gain Powertrain efficiency 1.2T TDI 5.0 Powertrain efficiency in NEDC TDPx 2xTDI H2ICE PEMFC PEMFCPx 1.9TDIHyb TDPxHyb

7 Emise CO 2 Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka Konvenční vozidlo: Elektrické vozidlo: Well to Tank Tank to Wheels Celkové emise CO2 [g/km] v NEDC EU-27 mix 2010 Francouzský mix 2010 Větší využití obnovitelných zdrojů 27% Nukleární 20% Obnovitelné 53% Fosilní 75% Nukleární 20% Obnovitelné 5% Fosilní 30% Photovoltaické články ve voze 60% Další obnovitelné zdroje 10% Fosilní

8 Cenové porovnání ELV s konvenčními motory Cena výroby ELV se očekává vyšší než u konvenčních automobilů i po zahájení masové výroby Provozní náklady jsou při současném stavu cen výrazně nižší u ELV Do budoucna lze předpokládat uvalení spotřební daně na elektřinu určenou pro pohon automobilů

9 V02 - Nové koncepce a optimalizace pohonových ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci Koncepce zapojení a optimalizace distribuovaných zdrojů výkonu, tj spalovacích motorů včetně palivových článků a akumulátorů/kondenzátorů elektrické i mechanické energie 23A101 Simulační výzkum specifik vozidla jako celku, distribuovaných zdrojů výkonu a palivových článků jako součásti hybridní hnací jednotky. Dosažené výsledky a výstupy nabízené pro praxi Vytvořen program pro rychlý odhad účinnosti a hybridní strategie dané koncepce. Databáze ověřených vstupů pro motory, FC, baterie a řídicí zařízení. Publikace ANSYS Workshop (invited lecture) a Elektromobilita Příprava patentů na nekonvenční uspořádání.

10 i [A], U [p.u], f [Hz/100] Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka V02 Nové koncepce a optimalizace pohonových ústrojí s adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Aktivita22A102: Návrh koncepce napájení a řízení vysokootáčkového elektrického pohonu turbokompresoru Výchozí stav: ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6-2 t[s] id [A] iq[a] U [p.u.] f [Hz/100] Navržen a realizován HW a SW pro regulaci momentu vysokootáčkového synchronního motoru s permanentními magnety 2,9 kw, proběhly úspěšné testy do min -1. Dynamika omezena nestabilitou pohonu při překročení zátěžného úhlu 90.

11 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonových ústrojí s adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Aktivita 25: Návrh koncepce napájení a řízení vysokootáčkového elektrického pohonu turbokompresoru Dosažené výsledky i[a], u[p.u.] ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0, t[s] n[1/min] id iq ud uq U n i[a] ,1 0,2 0,3 0,4 0, t[s] UDC[V], tg α*1000[-], n [H]z id iq UDC tg α*1000 n

12 Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka V02 Nové koncepce a optimalizace pohonových ústrojí s adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Aktivita 25: Návrh koncepce napájení a řízení vysokootáčkového elektrického pohonu turbokompresoru Dosažené výsledky 1M Str. Prof. Čeřovský, ČVUT FEL K13114

13 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonových ústrojí s adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Dosažené výsledky - Úspěšně implementována metoda omezení zátěžného úhlu 4 - Zkrácení doby rozběhu na třetinu, z 0 na min -1 3,5 za cca. 490ms 3 - Dobrá kvalita regulace při rozběhu, perioda regulace 66µs - Testy prováděny s tvrdým i měkkým zdrojem napětí - Využití energie dodané pro rozběh na cca. 70% t[s] 2,5 2 1,5 1 0, iq[a] PMSM 2, UDC 1 PMSM 2, UDC 2 PMSM 1, UDC 1 PMSM 1, UDC 2

14 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonových ústrojí s adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Další postup řešení V roce 2011 bude pokračovat výzkum dynamických vlastností vysokootáčkového pohonu s PMSM. V roce 2010 probíhal výzkum jen v dynamických stavech naprázdno, v roce 2011 budou prováděny výzkumy s proměnnou kvadratickou zátěží v ustáleném stavu i v dynamických režimech. Publikace NOVÁK, J. - ČEŘOVSKÝ, Z.: Electrical Drive for Compressor on Turbocharged Engine, Proceedings of konference Theoretical and Practical Issues in Transport, Univerzita Pardubice 2010, ISBN Připravovány publikace na IEEE SSCI 2011, ICCEP 2011

15 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonných ústrojí s velkou adaptibilitou pro reakci na provozní podmínky Název aktivity 22A151, 23A151 Hlavní činnost Simulace reálného jízdního cyklu na fyzikálním modelu hybridního pohonu s elektrickým děličem výkonu Provedení automatizovaných měření při zadaných jízdních cyklech vozidla. Vyhodnocování měření s ohledem na výzkum energetických toků v různých režimech pohonu. Popis aktivity S U P C A P E C 1 E C 3 E C 2 E L M C L U T C H A C M 1 S G P M T M A C M 2 b a s e Fig.1. Power splitting drive using AC machines Řídící přístroj, ze kterého se na základě komunikace s počítačem řídí experimentální pracoviště.

16 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonných ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Název aktivity Simulace reálného jízdního cyklu na fyzikálním modelu hybridního pohonu s elektrickým děličem výkonu Postup řešení a příklady dílčích výsledků Program pro PC v jazyku Java - vstup jízdního profilu, rychlosti a parametrů vozidla - výpočet momentu a otáček - komunikace s řídicím počítačem Řídicí počítač - HW - Microchip Explorer16 doplněný o interface s měniči pohonů - SW jazyk C - komunikace s PC -řízení měničů poháněcího motoru, děliče výkonu, trakčního motoru a brzdy

17 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonných ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Název aktivity Simulace reálného jízdního cyklu na fyzikálním modelu hybridního pohonu s elektrickým děličem výkonu Dosažené výsledky a výstupy nabízené pro praxi Otáčky, moment a momentové složky na výstupním hřídeli Microchip Explorer 16 a interface

18 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonných ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Název aktivity Simulace reálného jízdního cyklu na fyzikálním modelu hybridního pohonu s elektrickým děličem výkonu Další postup řešení -řízení otáček poháněcího motoru podle optimální charakteristiky výkon-otáčky spalovacího motoru -řízení stanoviště podle reálné jízdy zaznamenané GPS přijímačem (Herbertov)

19 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonných ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Název aktivity Specifikace akumulačních členů elektrické energie pro hybridní pohony. Použití přídavného DC/DC měniče Ovládací panel na obrazovce počítače T1 L D2 D1 T2 Projektovaný zvyšovací koeficient je 1:10 Projektované schéma

20 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonných ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Název aktivity Specifikace akumulačních členů elektrické energie pro hybridní pohony. S U P C A P E C 1 E C 3 E C 2 E L M C L U T C H A C M 1 S G P M T M A C M 2 b a s e Použití kompatibilního, pulsního usměrňovače Při relativních otáčkách 120 1/min je možné udržet napětí v meziobvodu na žádané hodnotě. Zvyšovací koeficient by 1:16

21 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonných ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Dosažené výsledky a uplatnění výsledků Simulace reálného jízdního cyklu na fyzikálním modelu hybridního pohonu s elektrickým děličem výkonu Specifikace akumulačních členů elektrické energie pro hybridní pohony. Byl vytvořen software a hardware pro řízení experimentálního pracoviště tak, aby bylo možno nastavovat laboratorní měření v libovolném rychlostním cyklu jaký se používá pro porovnávání vlastností vozidel v Evropě, USA, Japonsku a jinde. Tyto mezinárodně používané jízdní cykly platí pro jízdy po rovině. Vytvořené ovládání experimentálního pracoviště nadto umožňuje experimentovat na různých výškových profilech jízdní dráhy. Pro další pokusy byl sejmut výškový profil silnice mezi Prahou a Herbertovem a rychlost jízdy. Podle těchto dat bude řízeno soustrojí stanoviště.

22 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonných ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Dosažené výsledky a uplatnění výsledků Simulace reálného jízdního cyklu na fyzikálním modelu hybridního pohonu s elektrickým děličem výkonu Specifikace akumulačních členů elektrické energie pro hybridní pohony. V současné době probíhá v závodě STAVUS v Příbrami montáž těžkého důlního nakladače, kde byly některé výsledky práce Centra na ČVUT FEL K13114 použity. Cílem projektu je navrhnout a vyrábět pohonnou jednotku, která se skládá z primárního vznětového motoru, trakčního elektrického generátoru, trakčních motorů, elektronických měničů a trakční baterie.

23 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonných ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Důlní nakladač/dopravník. Hmotnost celkem 15t. Výkon primárního motoru 70kW. Rychlost 15km/hod. Maximální gradient jízdní dráhy 15stupňů.

24 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonných ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Primární motor 70kW s namontovaným trakčním elektrickým generátorem

25 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonných ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Nakládací lžíce. Hmotnost nákladu 15t.

26 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonných ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Přílohy. Uveřejněné publikace a obhájené dizertační práce Čeřovský Z., Mindl P.: SYSTÉMOVÉ A EKOLOGICKÉ ASPEKTY ROZVOJE ELEKTROMOBILITY. Konference Elektromobilita. Fakulta dopravní. Praha Mindl P., Čeřovský Z.: Trends in hybrid propulsion concepts. Proceedings of EPE-PEMC2010, Ohrid, Macedonia, paper Nr ISBN , IEEE Catal.Nr. CFP1034A-DVD Mašek P., Čeřovský Z.: A New Pulse Power Converter for a Hybrid Electric Drive Stand. Proceedings of EPE-PEMC2010, Ohrid, Macedonia, paper Nr 297. ISBN , IEEE Catal.Nr. CFP1034A-DVD Novák M., Novák J., Čeřovský Z., Uhlíř I.: Electric Power Splitter Pulse Rectifier Control in a Hybrid Propulsion System. Proceedings of EPE-PEMC2010, Ohrid, Macedonia, paper Nr ISBN , IEEE Catal.Nr. CFP1034A-DVD Čeřovský Z., Mindl P.: Special Three-Phase Double-Winding Alternator for Diesel Electric Hybrid Drive of Building Machines for Heavy Duty Conditions. SPEEDAM2010 Pisa, Italy 2010, IEEE Catalog Nr CFP1048A-CDR, ISBN: , Library of Congress:

27 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonných ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Přílohy Uveřejněné práce a obhájené dizertační práce: Novák, M. - Novák, J. CONTROL OF AN ELECTRICAL POWER SPLITTER IN A HYBRID TRACTION PROPULSION SYSTEM In: Proceedings of The 9th International Conference Process Control 2010 [CD-ROM]. UniversitaPardubice, 2010, p ISBN Novák, M. - Novák, J. - Čeřovský, Z. Pulse Rectifier Control for Electric Power Splitter of a Hybrid Propulsion System In: Proceedings of the 2010 IEEE International Symposium on Industrial Electronics [CD-ROM]. Bari: Politecnico di Bari, 2010, p ISBN Čeřovský,Z Mindl,P: Rozvoj elektromobility a ekologie. Konference Autosympo Brno 2010.

28 V02 - Nové koncepce a optimalizace pohonových ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Koncepce zapojení a optimalizace distribuovaných zdrojů výkonu, tj spalovacích motorů včetně palivových článků a akumulátorů/kondenzátorů elektrické i mechanické energie 23A501 - Mapování a rozbor energetické náročnosti pomocných pohonů, volba koncepce regulace. 23A502 - Sestavení funkčního vzorku vozidla s energetickým managementem. Popis aktivity 23A501 - Ověření výkonových ztrát pomocných pohonů při instalaci na motorové brzdě. Ověření vlivu na spotřebu paliva. Ověření vlivu na výkonové a dynamické parametry. Analýza naměřených dat. Návrh regulačních strategií. 23A502 - Návrh a sestavení funkčního vzorku vozidla s energetickým managementem

29 V02 - Nové koncepce a optimalizace pohonových ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Koncepce zapojení a optimalizace distribuovaných zdrojů výkonu, tj spalovacích motorů včetně palivových článků a akumulátorů/kondenzátorů elektrické i mechanické energie 23A501 - Mapování a rozbor energetické náročnosti pomocných pohonů, volba koncepce regulace. Vlivy energetických odběrů na spotřebu paliva volnoběžný režim automatických převodovek běh chladícího ventilátoru vliv elektrických odběrů analýza ztrát dalších pomocných pohonů servořízení klimatizace vzduchové hospodářství...a další

30 V02 - Nové koncepce a optimalizace pohonových ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Koncepce zapojení a optimalizace distribuovaných zdrojů výkonu, tj spalovacích motorů včetně palivových článků a akumulátorů/kondenzátorů elektrické i mechanické energie Příklad regulace běhu chladícího ventilátoru měření vlivu běhu na spotřebu paliva měření teplot vliv na spotřebu cca l/100 km dle typu motoru a vozidla Tovární nastavení Omezený chod Regulace chodu SORT 2 70 SORT 2 70 SORT 2

31 V02 - Nové koncepce a optimalizace pohonových ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Koncepce zapojení a optimalizace distribuovaných zdrojů výkonu, tj spalovacích motorů včetně palivových článků a akumulátorů/kondenzátorů elektrické i mechanické energie 23A502 - Sestavení funkčního vzorku vozidla s energetickým managementem široké spektrum a variabilita pomocných pohonů a příslušenství standardizovanost komponent a řídících systémů dostupnost, aplikovatelnost a využitelnost v praxi dobrá měřitelnost autobus SOR EBN 10

32 V02 - Nové koncepce a optimalizace pohonových ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Koncepce zapojení a optimalizace distribuovaných zdrojů výkonu, tj spalovacích motorů včetně palivových článků a akumulátorů/kondenzátorů elektrické i mechanické energie Dosažené výsledky a výstupy nabízené pro praxi 23A501 - Mapování a rozbor energetické náročnosti pomocných pohonů, volba koncepce regulace. Reálný vliv odběrů energie na spotřebu paliva Reálný vliv odběrů energie na spotřebu el. energie a dojezd elektromobilu Energetická bilance autobusu 23A502 - Sestavení funkčního vzorku vozidla s energetickým managementem Elektrobus, vozidlo určené pro zkoušky a testy dalšího příslušenství a regulací

33 V02 Nové koncepce a optimalizace pohonných ústrojí s velkou adaptivitou pro reakci na provozní podmínky Děkuji za pozornost.