Założenia zintegrowanego systemu sterowania

Pod pojęciem zintegrowanego sterowania układu napędowego rozumie się takie sterowanie w którym wszystkie wielkości sterujące poszczególnymi urządzeniami określone są jednocześnie za pomocą odpowiednich procedur. Opracowanie takiej strategii sterowania w rozpatrywanym układzie napędowym jest zadaniem bardzo złożonym. Analiza zebranej literatura oraz doświadczenia autora potwierdzaj ten fakt, że sposób sterowania układem napędowym może w istotny sposób wpływać na jego wskaźniki pracy. Istnieje w nim duża liczba możliwości i stopni swobody do optymalizacji procesu eksploatacji. Układ hybrydowy jako połączenie dwóch rodzajów napędów opiera się na sterowaniu rozdziałem momentu pomiędzy dwoma źródłami napędu, czyli silnik spalinowy i maszynę elektryczną. Duże możliwości stwarza zaproponowane zintegrowane sterowanie układem napędowym, które odróżnia się tym od tradycyjnego podejścia, że układ napędowy rozpatrywany jest na tle całego systemu. Istotą proponowanej koncepcji zintegrowanego sterowania jest to że kierujący pojazdem człowiek nie wywiera bezpośredniego wpływu na współrzędne stanu danej jednostki napędowej. Położenie pedału przyśpieszenia za które odpowiedzialny jest człowiek jest tylko wielkością wejściową do procedury sterowania układem napędowym określającą zapotrzebowanie mocy. Jednak skąd ta moc zostanie przekazana i w jakich

95 proporcjach zależy od algorytmów sterowania, za które odpowiedzialny jest sterownik nadrzędny. Racjonalny wybór jednostki napędowej i jej punktu pracy, a co za tym idzie sposobu jej sterowania wymaga przyjęcia odpowiedniego kryterium optymalizacji np. zużycie paliwa, emisję albo dostępny moment obrotowy. Z punktu widzenia wykorzystania potencjalnych oszczędności paliwa największe znaczenie ma sterowanie silnikiem spalinowym w zakresie jego największej sprawności. Ponadto strategia sterowania musi uwzględniać ograniczenia poszczególnych podzespołów układu napędowego tj. zakres prędkości kątowej silnika spalinowego i maszyny elektrycznej, prędkość pojazdu oraz pojemność baterii akumulatorów ponieważ punkt pracy zależy bezpośrednio od tych parametrów.

Zasadnicza trudność w opracowaniu algorytmu sterowania polega na tym, że w hybrydowym układzie napędowym należy dokonać szczegółowej analizy oddziaływań powiązanych ze sobą licznych obwodów sterowania z uwzględnieniem zachowania kierującego pojazdem człowieka oraz energii zgromadzonej w akumulatorach, która jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania układu. Powyższe wymagania należy spełnić przy ciągłych, często szybkich i znaczących zmianach zapotrzebowania mocy, a także przy zróżnicowanych i zmiennych w czasie preferencjach kierowcy samochodu, zmiennych warunkach otoczenia oraz oddziaływań licznych zakłóceń [5,6,69]. Optimum wybranej strategii sterowania często może być znalezione dopiero, gdy jest znany cały przebieg ruchu pojazdu, co wymaga przewidywania sposobu jazdy kierowcy [8]. Przewidywanie zachowania kierowcy może zostać określone np. na podstawie założonego cyklu lub jego symulacji. Dlatego w pracy do sformułowania algorytmów sterowania rozpatrywanym układem napędowym opartą się na odpowiednio przygotowanych cyklach jezdnych służących do porównania różnych strategii sterowania proponowanym układem i poznanie ich wpływu na właściwości trakcyjne proponowanego układu napędowego.

W rozpatrywanym układzie napędowym główną uwagę skupiono na sterowaniu silnika w najbardziej efektywnym zakresie jego pracy. Racjonalny wybór punktu pracy jednostki spalinowej wymaga jednak znalezienia kryterium jakości. Dla badanego silnika spalinowego przyjęto dwa kryteria, które określa odpowiednia krzywa sterowania. Ze względu na efektywność pracy silnika spalinowego wyznaczono krzywą E. Natomiast ze względu na własności ruchowe wyznaczono krzywą D. Jednak różnice przyjętych krzywych sterowania w tradycyjnym układzie napędowym opartym na jednej jednostce napędowej, stanowią o swoistej sprzeczności strategii sterowania efektywnego i dynamicznego co wynika z charakterystyki pracy silnika spalinowego [53]. W rozpatrywanym układzie zastosowane

96 dwie jednostki napędowe, przez co uzyskano większe możliwości sterowania. Ze względu na zastosowanie maszyny elektrycznej i możliwości sterowania przepływem mocy z silnika spalinowego do kół pojazdu, proponowane rozwiązanie układu napędowego może wnieść nowe spojrzenie na efektywne i dynamiczne sterowanie silnikiem spalinowym. Największe oczekiwania autor pokłada w optymalnym wykorzystaniu możliwości zwiększenia sprawności silnika spalinowego przy ładowaniu akumulatorów do czego wykorzystuje się tryb generatorowy maszyny elektrycznej w zakresie niskich prędkości pojazdu. Dlatego w ramach strategii sterowania rozpatrywanym układem napędowym trzeba również uwzględnić strategie i możliwości pozyskiwania energii elektrycznej. W pojeździe o napędzie hybrydowym energię elektryczną można pozyskiwać dzięki ładowaniu akumulatorów prądem pochodzącym z generatora napędzanego silnikiem spalinowym lub hamowania pojazdu. W niektórych rozwiązaniach można doładowywać energię z gniazdka sieciowego. Takie dodatkowe rozwiązanie przewiduje się również w proponowanym rozwiązaniu hybrydowym. Energia pozyskiwana podczas hamowania nie powoduje zużycia paliwa, natomiast energia wytwarzana przez generator napędzany silnikiem spalinowym wymaga zużycia pewnej ilości energii. Sprawność procesu ładowania akumulatorów zależy głównie od punktu pracy silnika spalinowego. Dlatego proces wytwarzania energii w miarę możliwości należy przeprowadzić tak, aby korzystać z silnika spalinowego tylko wówczas gdy pracuje on w zakresie małej sprawności, czyli w niskim zakresie prędkości kątowej wału korbowego. Dzięki większemu obciążeniu spowodowanym napędem maszyny elektrycznej pracującej w trybie generatorowym sprawność silnika może ulec znacznemu zwiększeniu. Wytworzona w ten sposób energia w rozpatrywanym układzie napędowym może być później wykorzystywana w trybie silnikowym maszyny elektrycznej co jest możliwe w zakresie wyższych prędkości pojazdu. Energię elektryczną w napędzie hybrydowym można również pozyskiwać podczas hamowania. W proponowanym układzie napędowym wyposażonym w maszynę elektryczną możliwy jest odzysk energii hamowania, jednak ze względów konstrukcyjnych wiąże się to z pewnymi niedogodnościami. Po pierwsze odzysk energii w trybie hybrydowym może odbywać się wyłącznie w zakresie wyższych prędkości pojazdu (co jest zamienne z trybem silnikowym). Nie jest możliwe zablokowanie silnika spalinowego i pełny odzysk energii hamowania bo prędkość maszyny elektrycznej przekroczyła by jej maksymalną wartość. Po drugie pełny odzysk energii możliwy jest wyłącznie w zakresie niskich prędkości pojazdu (do ok. 15m/s). Silnik jest wtedy zablokowany hamulcem H1, a maszyna elektryczna pracuje jako generator w trybie elektrycznym. Energia odzyskiwana jest często niewystarczająca, a ponadto istnieję ograniczenia w zdolności magazynowania energii akumulatorów.

97 Podsumowując sterowanie rozpatrywanym układem napędowym jest zadaniem bardzo złożonym. Dodatkowe możliwości wynikające z zastosowania maszyny elektrycznej w rozpatrywanym układzie napędowym niosą za sobą pewne wymagania i ograniczenia. Jedną z najważniejszych jest zapewnienie wystarczającej ilości energii elektrycznej do prawidłowego działania układu. Jednak poziom tej energii nie może być za wysoki bo ograniczałby np. funkcję odzysku energii hamowania. Te niedogodności autor pragnie rozwiązać odpowiednim algorytmem sterowania, który uwzględni poziom naładowania akumulatorów i na tej podstawie będzie wykorzystywał tryb elektryczny, hybrydowy lub spalinowy. Dlatego oprócz zasadniczego problemu sterowania całym układem napędowym dochodzi jeszcze niewystarczający stan wiedzy na temat działania poszczególnych urządzeń wchodzących w skład układu napędowego oraz wpływu ich wzajemnych zależności. W celu poznania tych zależności i opracowania strategii sterowania rozpatrywanym układem napędowym autor pragnie wykorzystać do tego nowoczesne techniki symulacyjne oparte na modelach matematycznych adekwatnych do obiektów rzeczywistych. Dzięki temu będzie można określić wpływ różnych metod sterowania na wskaźniki pracy układu napędowego. Wiedza na temat działania proponowanego układu napędowego będzie bazą do wykonania takiego układu napędowego w rzeczywistym pojeździe. Gdyż dopiero badania na obiekcie rzeczywistym dadzą prawdziwe wyniki, w szczególności w stanach nieustalonych.

98