UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRASOV FACULATATEA DE INGINERIE MECANICA CATEDRA AUTOVEHICULE ŞI MOTOARE
- PROIECT-
Disciplina: CONTROLUL FLUXULUI DE PUTERE SI AL INTERACTIUNII CU DRUMUL Tema: PREZENTAREA AUTOVEHICULULUI HIBRID ELECTRIC HMMWV XM1124
Îndrumător: Prof. dr. ing. PREDA ION
Student: MÎRZEA VASILE Grupa 1562
-1-
PREZENTAREA AUTOVEHICULUI Modelul XM1124 Hybrid Electric HMMWV (High Mobility Multi-purpose Wheeled Vehicle) este derivat din modelul de serie M1213 HMMWV al cărui tren de rulare, mecanic, tradiţional (motor, transmisie şi cutie de transfer) a fost înlocuit cu un tren de rulare electric hibrid. Trenul de rulare hibrid electric constă dintr-un grup motor-generator, două motoare de acţionare şi un set de acumulatori. Acesta este în configuraţie în serie, unde grupul motor-generator nu are o legătură mecanică directă cu roțile. Comparativ cu modelul M1113 convețional, HMMWV Hybrid-Electric are o viteză maximă superioară (136 kmh față de 112kmh), o accelerare mai rapidă (7 versus 14 secunde), autonomie mai mare (611km versus 442 km), capacitate de transport mai mare și cu 75% mai puţine emisii. Interesul armatei în HMMWV a fost predominant în ceea ce privește consumul de combustibil și reducerea amprentei logistice. Alte domenii de interes au fost semnăturile termice și acustice scăzute, precum și a mobilității tăcute. Obiectivul programului HE a fost atingerea mobilității standard și a sarcinii utile (2300 kg), asigurând, de asemenea, mobilitatea silențioasă și capacitatea de a produce un minim de 33 kilowați de putere continuă. Dispunerea elementelor trenului de rulare este prezentat în fig. 1
Fig. 1 - Dispunerea elementelor trenului de rulare hibrid
Schema de principiu a autovehiculului XM1124 este prezentată în Figura nr. 2
-2-
Fig. 2 -Schema vehiculului hibrid din seria XM1124. Constă dintr-un motor diesel Peugeot cu patru cilindri, de 100 kW (134 CP), cuplat la un generator fără perii PM de 100 de kW de la UQM [1]. I.
STRUCTURA ŞI SISTEMUL DE PROPULSIE Modelul XM1124, fabricat de AM General și PEI, este un hibrid cu sistem de
propulsie
în serie cu câte un motor electric de tracțiune cuplat direct la diferențialul
fiecărei axe. Motorul standard cu combustie internă și sistemul de transmisie din modelul de serie M1213 au fost înlocuite în XM1124 cu un set de motor-generator (APU - Auxiliary Power Unit) care asigură alimentarea cu energie electrică reţelei electrice a vehiculului. La reţeaua electrică sunt conectate toate componentele principale inclusiv acumulatorul, APU și motoarele de tracțiune. In acest mod motoarele de tracțiune pot utiliza energia de la baterii sau APU, modalitatea de alimentare fiind determinată de strategia de control. APU este alcătuit dintr-un motor diesel cuplat cu un generator sincron de curent continuu cu magnet permanent (PMS - Permanent-magnet synchronous). XM1124 nu are nici transmisie, nici cutie de transfer. Controlul vitezei şi frânării vehiculului, precum şi încărcarea şi descărcarea a bateriei se realizează prin intermediul unei unităţi de control la bord.
-3-
Fig. 3 - Schema electrică a sistemului de propulsie [3] În plus față de sistemul electric auxiliar al unui vehicul HMMWV standard (de exemplu, lumini, ventilator de încălzire), hibridul electric-HMMWV (HE-HMMWV) include câteva alte sarcini electrice majore care ar primi energie de la motorul termic pe un vehicul standard. Radiatorul standard este înlocuit cu un sistem de răcire cu cinci circuite care servesc la răcirea motorului termic, generatorului, şi motoarelor de tracţiune din faţă şi din spate şi respectiv echipamentului electronic de la bord. Pompa de recirculare a lichidului de răcire este acţionată de un motor electric şi nu funcţionează în mod continuu. Un alt motor electric acţionează o pompă hidraulică care este utilizată pentru sistemul de direcţie şi de frânare. În cele din urmă, două mici ventilatoare electrice asigură răcirea acumulatorului. Aceşti consumatori auxiliari necesită o putere electrică de 1,4-2,3 kW chiar i atunci când vehiculul este în repaus.
-4-
II.
DESCRIEREA ŞI CARACTERISTICILE TEHNICE 1. Motorul termic: (a) tip: motor diesel cu turbocompresor de 2,2 litri, cu patru cilindri, fabricat de către Peugeot (b) putere: 100 kW la 4000 rpm 2. Generatorul electric: (a) tip: generator/motor fără perii tehnologie UQM (Model SR286) (b) putere nominală: 100 kW (c) eficienţă: 90% 3. Motorul electric: (a) tip: generator/motor fără perii tehnologie UQM (Model SR286 (b) putere nominală: 100 kW (c) eficienţă: 90% 4. Bateriile: 24 Optima spiralcell cu ciclu de încărcare intensiv, conectate în serie. Acestea sunt baterii plumb-acid disponibile cu o tensiune nominală de 12 Vcc., având ca rezultat o tensiune nominală a acumulatorului de 288 Vcc. Ca și în cazul tuturor vehiculelor hibride serie, puterea este livrată de către acumulator care, la rândul lui este încărcat de către generator. Strategia de încărcare/descărcare pentru acumulator este controlat de controlerul de la bordul XM1124s. 5. Tracţiunea: Sarcina primară constă în cele două motoare de tracțiune, care sunt, motoare/generatoare fără perii UQM SR286. Un motor este cuplat direct la diferențialul spate, în timp ce celălalt este cuplat la diferențialul frontal printr-un arbore de transmisie scurt pentru a permite montarea acestuia în afara axei centrale. Viteza de rotație a acestor motoare și implicit viteza vehiculului este controlată prin semnale modulate în impuls (PWM) al căror algoritm este bazat pe poziţia pedalei de acceleraţie şi feedback-ul primit de la senzorul de viteză al vehiculului 6. Tip transmisie: modelul XM1124 nu dispune de transmisie sau cutie de transfer, Controlul vitezei şi frânării vehiculului, precum şi încărcarea şi descărcarea a bateriei se realizează prin intermediul unei unităţi de control la bord
III.
REGIMURILE DE FUNCŢIONARE
Motorul electric este alimentat cu energie electrică de la bateria de propulsie prin intermediul unui convertor de putere având func ionare reversibilă. Astfel, în timpul frânării motorul func ionează ca frână electrică, iar energia provenită din frânare este convertită în energie electrică i utilizată pentru încărcarea bateriei. Deoarece motorul electric este de curent alternativ, AC, iar încărcarea bateriei se face în curent continuu,
-5-
DC, convertorul de putere poate func iona atât ca invertor cât i ca redresor. Func ionare sa este comandată de către o unitate electronică de control (APU Controller) pilotată de microprocesor în raport cu semnalele primite de la senzorii de tura ie ai motorului electric i de la sistemul de accelerare al motorului. În acest fel se asigură o adaptare a cuplului de ie ire al motorului electric cu regimul de func ionare cerut de conducătorul vehiculului. 1. Regimul hibrid de trac iune Modul hibrid de trac iune este folosit când este o cantitate mare de energie este solicitată (adică oferul apasă pedala de accelera ie la maximum) atât motorul/generatorul (APU), cât i bateriile (PPS-peaking power source) aprovizionează cu puterile lor motorul electric. În acest caz, motorul ar trebui să fie controlat pentru a func iona în regiunea optimă pentru eficien ă i motivele de emisie a a cum se arată în figura 7.2. PPS puterea suplimentează APU pentru a satisface cererea de putere de trac iune. Acest mod de operare poate fi exprimat ca:
unde: Pdemand= puterea solicitată Pe/g= puterea electrică debitată de generatorul electric Ppps= puterea electrică debitată de baterii
Figura 4 Regimurile de func ionare [4]
-6-
2. Regimul de alimentare doar de la baterii (PPS) În acest mod de func ionare, bateriile sunt singura sursă de alimentare pentru a satisface cererea de putere:
3. Regimul de alimentare doar de la APU În acest mod de func ionare, motorul/generator este singura sursă de alimentare pentru a satisface cererea de putere:
4. Regimul de încărcare a bateriilor de la APU Când energia din PPS scade la o linie inferioară, PPS trebuie încărcat. Acest lucru se poate face prin frânare regenerativă sau prin APU. De obicei, este necesară încărcarea de la APU, deoarece energia regenerativă din frânare este insuficientă. În acest caz, puterea motorului este împăr ită în două păr i: una este folosită pentru a propulsa vehiculul, iar cealaltă este utilizată pentru încărcarea PPS.
Trebuie remarcat faptul că acest regim de func ionare este eficient numai când puterea APU este mai mare decât cererea de putere de încărcare. 5. Regimul frânării/decelerării cu recuperarea de energie Atunci când vehiculul frânează, motorul de trac iune poate fi utilizat ca generator, transformând o parte din energia cinetică a masei vehiculului în energie electrică pentru a încărca PPS. Regimul de recuperare a energiei de frânare este specific autovehiculelor electrice și hibride fiind o cale de îmbunătă ire a randamentului lor. Frânarea recuperativă urmăre te să utilizeze o cantitate cât mai mare din energia cinetică suplimentară a vehiculului ce se dorește frânat și care, în cazul autovehiculelor convenționale se disipă sub formă de căldură în plăcuțele, etrierele și discurile de frână. Într-o mașină electrică reversibilă, comutarea din starea de motor în cea de generator se face prin eliminarea alimentării și aplicarea unui cuplu de rotație, în cazul acesta provenind de la roțile autovehiculului Conversia energiei cinetice în energie electrică are ca rezultat generarea unui cuplu invers la axul generatorului, regăsit ca un cuplu de frânare la axul roților. Autovehiculul hibrid este prevăzut i cu un sistem conven ional de frânare, de regulă de tip electrohidraulic Pe parcursul unei frânări sistemul de frânare recuperativă și sistemul clasic de frânare prin acțiunea presiunii hidraulice asupra plăcuțelor de frână pot lucra simultan.
-7-
Totuși sistemul recuperativ are întâietate în sensul că, la apăsarea pedalei de frână, dispozitivul de control electronic determină în primul rând cuplul disponibil la axul generatorului provenit din energia cinetică a vehiculului (frână de motor), respectiv cuplu de frânare dorit de șofer (determinat din unghiul și forța de apăsare a pedalei de frână) și numai dacă acesta din urmă depășește pe primul, sistemul clasic de frânare va fi și el activat După cum se arată în figura 4, controlerul vehiculului comandă func ionarea fiecărei componente în func ie de comanda puterii de trac iune (cuplu) de la ofer, feedback-ul de la fiecare dintre componente, precum i trenul de rulare i strategia de control prestabilită. Obiectivele de control sunt (1) satisfacerea cererii de putere a oferului, (2) func ionarea fiecărei componente cu eficien ă optimă, (3) recuperarea cât mai mult posibil a energiei de frânare i (4) men inerea stării de încărcare (SOC - state of charge) din PPS într-o fereastră presetată. IV.
STRATEGII DE CONTROL ALE TRAC IUNII O strategie de control este o regulă de control care este presetată în controlerul
vehiculului
i comandă func ionarea fiecărei componente. Controlerul vehiculului
prime te comenzile de operare de la componentele
ofer
i feedback-ul de la trenul de rulare
i apoi ia deciziile de a folosi corect
i toate
regimurile de func ionare. La
autovehiculul XM1124 se folosesc două strategii tipice de control: (1) starea maximă de încărcare a sursei principale de putere (SOC-of-PPS)
i (2) strategia de control a opririi
i
pornirii motorului termic. 1. Strategia de control a încărcării Aceasta este prezentată în Figura 5 , în care punctele A, B, C
i D reprezintă
cerin ele de putere pe care conducătorul auto le comanda fie în modul de trac iune, fie în modul de frânare. Punctul A reprezintă puterea de trac iune comandată care este mai mare decât puterea generată de motor / generator. În acest caz, PPS trebuie să- i producă puterea pentru a compensa lipsa de putere a motorului / generatorului. Punctul B reprezintă puterea comandată care este mai mică decât puterea generată de motor / generator atunci când operează în regiunea optimă de func ionare (vezi figura 4). În acest caz, pot fi utilizate două moduri de func ionare, în func ie de nivelul SOC al PPS. a. Dacă SOC al PPS este sub linia de sus, este activat regimul de încărcare PPS motorul/generatorul este operat în regiunea sa optimă de func ionare
i o parte
din puterea sa merge la motorul de trac iune pentru a propulsa vehiculul, iar cealaltă parte merge la PPS.
-8-
b. Pe de altă parte, dacă SOC al PPS a ajuns deja la linia superioară, este activat regimul de alimentar doar de la APU, adică motorul / generatorul este controlat pentru a produce o putere egală cu puterea solicitată, iar PPS intră în regim de conservare a energiei . Punctul C reprezintă puterea de frânare comandată care este mai mare decât puterea de frânare pe care o poate produce motorul (puterea maximă de frânare regenerabilă). În acest caz, se utilizează modul de frânare hibrid, în care motorul electric produce o putere maximă de frânare, iar sistemul de frânare mecanică produce puterea de frânare rămasă. Punctul D reprezintă puterea de frânare comandată care este mai mică decât puterea maximă de frânare pe care o poate produce motorul. În acest caz, se folose te numai frânarea regenerativă. Diagrama de control a strategiei de încărcare (SOC-of-PPS) este ilustrat în Figura 6.
Figura 4 –Strategia de control a încărcării Unde:
-9-
Figura 6. – Diagrama de control a strategiei de încărcare 2. Strategia de control a opririi
i pornirii motorului termic
Strategia de control a încărcării pune accentul pe men inerea SOC a PPS la un nivel înalt. Cu toate acestea, în anumite condi ii de conducere, cum ar fi conducerea îndelungată cu o sarcină scăzută pe o autostradă la o viteză constantă, PPS poate fi încărcat cu u urin ă la nivelul său complet, iar APU este for at să func ioneze cu o putere mai mică decât cea optimă . Prin urmare, eficien a trenului de rulare este redusă. În acest caz, controlul motorului ar fi adecvat. Această strategie de control este ilustrată în figura 7. Func ionarea APU este controlată complet de SOC al PPS. Când SOC al PPS atinge linia de sus presetată, motorul/generatorul este oprit i vehiculul este propulsat - 10 -
numai de PPS. Pe de altă parte, când SOC al PPS ajunge la linia de jos, motorul/generatorul este pornit.
Figura 7- Controlul func ionării motorului
- 11 -
BIBLIOGRAFIE 3. http://articles.sae.org/11940/ (Quantitative analysis of a hybrid-electric humvee for fuel economy improvement) 4. https://www.globalsecurity.org/military/systems/ground/hmmwv-he.htm 5. Metin Gokasan, Seta Bogosyan, and Douglas J. Goering, Sliding Mode Based Powertrain Control for Efficiency Improvement in Series Hybrid-Electric Vehicles 6. Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Sebastien E. Gay, Ali Emadi, Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles, Fundamentals, Theory, and Design,
- 12 -
Fig. 1 - Dispunerea elementelor trenului de rulare hibrid
Fig. 2 - Schema vehiculului hibrid din seria XM1124. Constă dintr-un motor diesel Peugeot cu patru cilindri, de 100 kW (134 CP), cuplat la un generator fără perii PM de 100 de kW de la UQM [1].
- 13 -
Fig. 3 - Schema electrică a sistemului de propulsie [3]
- 14 -
Figura 4 Regimurile de func ionare [4]
- 15 -
Figura 4 –Strategia de control a încărcării
- 16 -
Figura 6. – Diagrama de control a strategiei de încărcare
Figura 7- Controlul func ionării motorului
- 17 -