HYBRIDNÍ POHONY AUTOMOBILŮ A VÝZKUMNÉ PRACOVIŠTĚ HYBRIDNÍCH POHONŮ Zdeněk Čeřovský, Zdeněk Halámka, Petr Hanuš, Pavel Mindl, Vladek Pavelka České vysoké učení technické v Praze, katedra elektrických pohonů a trakce, Technická 2, 166 27 Praha 6 ANOTACE: Příspěvek ve své první části stručně popisuje jednotlivé druhy hybridních pohonů, přičemž je zvláštní pozornost věnována systémům s dělením výkonu. Na katedře elektrických pohonů a trakce je v rámci Výzkumného centra spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka budováno experimentální pracoviště, které umožní fyzikálně modelovat prakticky všechny druhy hybridních pohonů. 1. Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka, úvod do problematiky Zatímco v minulosti byla konstrukce automobilů výhradně strojařskou záležitostí, stává se v posledních letech předmětem spolupráce mezi odborníky z mnoha nejrůznějších oborů. Z tohoto důvodu bylo mezi Českým vysokým učením technickým v Praze, Výzkumným ústavem motorových vozidel a několika dalšími institucemi zřízeno Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka. Na ČVUT jsou do centra začleněny katedry z fakulty strojní i elektrotechnické a řeší se zde např. problémy hluku, aktivního vypružení. Naše katedra, tedy katedra elektrických pohonů a trakce na ČVUT v Praze, se v rámci tohoto centra zabývá hybridními vozidly. Vlivem prudkého rozvoje automobilové dopravy vystupují do popředí problémy ekologie a energetické náročnosti tohoto odvětví. Problém ekologie se týká především plynných emisí spalovacích motorů a jejich hluku, zatímco energetická náročnost souvisí s omezenými zásobami neobnovitelných zdrojů energie používanými v současných spalovacích motorech. Bohužel vývoj alternativních dopravních prostředků elektromobilů nepostoupil vlivem nedokonalých zásobníků elektrické energie do stadia, kdy by technicky i ekonomicky mohl konkurovat klasickým pohonům se spalovacím motorem. Mimo toho by i při vyřešení tohoto problému (vysoká energetická kapacita zásobníků vyvstaly nové problémy v elektrické energetické soustavě, která by musela krýt zvýšené nároky odvětví dopravy. Tím by se ekologické a energetické problémy přenesly z odvětví dopravy do odvětví energetiky. Přitom účinnost elektromobilu z hlediska využitelnosti primárních zdrojů energie není příliš vysoká. Jeho velkou předností je však eliminace lokálního znečišťování životního prostředí, což je zejména v městském provozu dominantní faktor. Malý akční rádius současných elektromobilů, daný vlastnostmi akumulátorů elektrické energie, výrazně omezuje jejich univerzální použitelnost. Na druhé straně i propracované spalovací motory automobilů mají zejména v městském provozu velmi malou účinnost a jsou stále významným zdrojem znečištění ovzduší. Proto se jako logické řešení nabízí vytvoření hybridního pohonného systému, který bude v maximální míře využívat předností obou zmíněných pohonů a potlačovat jejich nedostatky. V současné době již světové automobilky vyrábějí a dodávají na trh zkušební série automobilů s hybridním pohonem.
2. Základní rozdělení hybridních pohonů Hybridní pohony představují jednu z cest ke snížení energetické náročnosti a ekologické zátěže automobilové dopravy. Jedná se o kombinaci spalovacího motoru s akumulátorem energie, kterým může být akumulátorová baterie nebo setrvačník. V dalším se budeme zabývat pouze systémy s elektrickým akumulátorem energie. Tyto pohony lze v principu rozdělit na sériové, paralelní a kombinované. U sériových pohonů (obr. 1 je spalovacím motorem poháněn generátor G, který napájí trakční motor popřípadě akumulační prvek elektrické energie. Při absenci akumulátoru by se jednalo o elektrický přenos výkonu používaný běžně např. na motorových lokomotivách. Výhodou této skupiny je možnost nastavit pracovní bod spalovacího motoru tak, aby jeho účinnost byla při daném výkonu maximální. Nevýhodu však představuje nižší účinnost přenosového ústrojí, u něhož dochází ke ztrátám při přeměnách energie v obou elektrických strojích. G P gen MP mechanická převodovka P P Obr. 1 Principielní schéma Obr. 2 Principielní schéma sériového pohonu paralelního pohonu Paralelní pohony (obr. 2 jsou ve své podstatě tvořeny klasickým mechanickým přenosem výkonu MP běžně používaným v automobilech, který je doplněn jedním elektrickým strojem. Ten se nachází buď mezi motorem a převodovkou a nebo na výstupní hřídeli převodovky. Přínos tohoto typu spočívá opět ve zlepšení účinnosti spalovacího motoru vhodnou volbou pracovního bodu, ovšem jen v jistých mezích. Spalovací motor totiž zůstává mechanicky pevně vázán na rychlost jízdy vozidla. Úspor se dociluje při nízkých momentech spalovacího motoru (především u zážehových motorů, kde se negativně projevuje činnost škrticí klapky tím, že motor pracuje s větším momentem než požadovaným a jeho výkon se rozděluje na pohon kol a dobíjení akumulačního prvku pomocí elektrického stroje. Energie akumulátoru je
pak zpětně využita k pohonu vozidla. Samotný přenos výkonu má oproti sériovému vyšší účinnost. Kombinované pohony lze rozdělit na přepínatelné (obr. 3, které mohou pracovat buď jako čistě sériové při rozpojené spojce S nebo při sepnutí spojky jako čistě paralelní, a na pohony s dělením výkonu (obr. 4. Jako děliče výkonu se běžně používá planetová převodovka diferenciální, tedy se dvěma stupni volnosti (na obr. 4 označena PP, která dělí výkon spalovacího motoru na část, která se přenáší mechanicky s vysokou účinností na hnací kola, a na druhou část pro pohon generátoru. Ten pak podle potřeby napájí buď akumulační prvek nebo trakční motor mechanicky spojený s hnacími koly vozidla. V tzv. nadsynchronním režimu je funkce obou elektrických strojů zaměněna, trakční motor pak pracuje jako generátor napájející druhý elektrický stroj, popřípadě akumulační prvek. Jako děliče výkonu lze použít i elektrického stroje s rotujícím rotorem i statorem. Výhodou systému s dělením výkonu je zachování optimálního pracovního bodu spalovacího motoru a oproti sériovému přenosu snížení ztrát při přenosu energie z prvotního motoru (část výkonu se totiž přenáší mechanicky s malými ztrátami. U větších vozidel (autobusy, nákladní automobily, kolejová vozidla se dá očekávat dostatečné zvýšení účinnosti (oproti klasickým mechanickým, elektrickým a hydraulickým přenosům použitím prostého dělení výkonů bez akumulátorové baterie, tedy elektromechanickým přenosem výkonu. P gen P gen G P PP G P S Obr. 3 Principielní schéma kombinovaného přepínatelného pohonu Obr. 4 Principielní schéma kombinovaného pohonu s dělením výkonu 3. Pohony s dělením výkonu a elektrickým děličem Jak už bylo uvedeno v předcházející kapitole, existuje vedle mechanického děliče výkonu v podobě planetové převodovky i elektrický dělič. Uspořádání celého pohonu se střídavými stroji je na obr. 5. Vlastní dělič výkonu je tvořen speciálním elektrickým stojem s rotujícím statorem a rotorem. Rotor je spojen s hřídelí spalovacího motoru a jeho hnací moment se přes
vzduchovou mezeru přenáší elektromagnetickými silami na stator. Klasický stroj zachytává tento moment patkami na statoru a vlastního pohonu se nijak neúčastní. U děliče výkonu je tomu jinak, rotující stator je spojen s trakčním motorem a s výstupní hřídelí a moment spalovacího motoru se tak přičítá k hnacímu momentu trakčního motoru. Při rozjezdu vozidla, dobíjecí měnič superkapacitor ~ = = ~ trakční měnič = ~ elektrický spalovací motor dělič trakční motor výkonu Obr. 5 Pohon s elektrickým děličem výkonu když je jeho rychlost ještě nulová, se celý výkon spalovacího motoru přeměňuje v děliči výkonu na elektrickou energii, kterou se napájí trakční motor. Funkce tohoto systému odpovídá sériovému hybridnímu pohonu s tím rozdílem, že výstupní moment na hřídeli za trakčním P [W] 5000 4000 1 3 3000 2 5 2000 4 1000 0 0 1000 2000 3000 1 - výkon spal. motoru 4 - elektrický příkon děliče 2 - výkon trakčního motoru 5 - mechanicky přenášený výkon 3 - moment na výstupní hřídeli Obr. 6 Průběhy výkonů u pohonu s elektrickým děličem výkonu speed [min -1 ] motorem je větší o moment spalovacího motoru. V okamžiku, kdy se vozidlo začne pohybovat, klesnou rozdílové otáčky mezi rotorem a statorem děliče a v důsledku toho se sníží i elektrický výkon děliče a trakčního motoru. Zbývající část výkonu spalovacího motoru se elektromagnetickými silami přenáší přes vzduchovou mezeru na stator a dále na výstupní hřídel pohonu. S narůstající rychlostí jízdy se zvyšuje část přenášená mechanicky, zatímco elektricky přenášená část úměrně tomu klesá. Výsledkem je snižování ztrát v elektrických stro-
jích. Průběhy výkonů, momentů a elektrických veličin v závislosti na otáčkách výstupní hřídele jsou na obr. 6 až 8. V oblasti nízkých rychlostí byly záměrně snižovány otáčky a moment spalovacího motoru, aby se na hnacích kolech nepřekročila mez adheze. Akumulační prvek, v tomto případě superkondenzátor, je přes dobíjecí měnič spojen se stejnosměrným meziobvodem trakčního obvodu. M [Nm] 30 25 20 moment výstupní hřídele 15 moment spal. motoru 10 5 moment trakčního motoru 0 0 1000 2000 3000 n [min -1 ] Obr. 7 Průběhy momentů u pohonu s elektrickým děličem výkonu 250 4 200 150 100 6 5 3 2 50 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 1 speed [min -1 ] 1-10x proud trakč. motoru 4 - napětí trakč. motoru 2-10x proud děliče 5 - napětí děliče 3 - Frekvence trakč. motoru 6 - GEN frequency Obr. 8 Průběhy elektrických veličin u pohonu s elektrickým děličem výkonu
4. Experimentální pracoviště Pro praktické ověření vlastností hybridního pohonu bylo v rámci Výzkumného centra spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka rozhodnuto o výstavbě experimentálního pracoviště (obr. 9. Při jeho návrhu byl kladen zvláštní důraz na systémy s dělením výkonu, ale celkové uspořádání stanoviště by mělo umožnit i modelování ostatních druhů hybridních pohonů. Spalovací motor je nahrazen asynchronním pohonem AM1 s měničem M1 a spotřeba paliva bude vyhodnocována z okamžitých hodnot otáček a momentu. Jízdní odpory budou vytvářeny rovněž asynchronním pohonem (AM2, M2. Jako akumulační prvek byly zvoleny superkondenzátory, které mají oproti akumulátorovým bateriím určité výhody, především je možné jejich nabíjení velkým proudem, aniž by to mělo za následek snížení jejich životnosti. SUPER- KONDEZÁTOR M1 MĚNIČ M2 Spojka AM1 DĚLIČ AM2 základová deska Obr. 9 Uspořádání experimentálního pracoviště Elektrický dělič výkonu je doplněn spojkou, která vstupuje do činnosti při malých rozdílových otáčkách mezi statorem a rotorem. Jejím sepnutím se vyřadí elektrická část z činnosti a veškerý výkon asynchronního motoru AM1 je pak přenášen čistě mechanicky s minimálními ztrátami. Sepnutím spojky je možno navíc modelovat paralelní hybridní pohon, kdy se uplatňuje jen trakční motor. Po mechanickém odpojení statoru děliče od rotoru trakčního motoru a po zablokování statoru děliče může stanoviště simulovat činnost sériového hybridního pohonu. 5. Literatura [1] Mierlo J.: Simulyation software for comparison and design of electric, hybrid electric and internal combustion vehicles with respect to energy, emission and performances. Vrije Universiteit Brussel [2] Doh-Hyoung Kim, Youngjin Park: Modeling and Design of Hybrid Electric Vehicles Drivetrains. FISITA World Automotive Cogress 2000 Seoul, Korea