Prof. dr hab. inż. Eugeniusz BU D N Y W arszaw a, luty 201 lr. Instytut M echanizacji B udow nictw a
i G órnictw a Skalnego w W arszaw ie
RECENZJA
pracy doktorskiej m gr inż. A dam a Stachury
pt.” Modelowanie dynamiki napędu hybrydowego”
1. Zakres pracy
Praca licząca 137 stron składa się z dziew ięciu rozdziałów i obszernego spisu literatury. We w stępie autor przedstaw ia historię pojazdów hybrydow ych, charakterystykę napędów, stosowane rozw iązania oraz podaje przegląd literatury. A utor podaje rów nież opis hybrydow ego stanow iska badaw czego dla w ózka w idłow ego składającego się z podukładu rów noległego i szeregow ego, zespołu kondensatorów i baterii. G łów nym zadaniem tego układu je st przetwarzanie i sterow anie przepływ em energii w hybrydow ym układzie napędow ym m aszyny.
N a stronie 42 sform ułow any został cel i zakres pracy oraz koncepcja napędu e4W D dla sam ochodu Fiat Panda - um ożliw iającego pracę w trzech trybach pracy: spalinowym , elektrycznym oraz m ieszanym.
Zakres pracy przew iduje 6 zadań obejm ujących budow ę i analizę program u symulującego pracę układu hybrydow ego, ustalenie standardow ych cykli jazd y w ruchu m iejskim , dobór param etrów sterow ania, w ykonanie dem onstratora oraz w eryfikację program u symulacyjnego napędu hybrydow ego.
2. O bliczenia dynam iki pojazdu i model dynam iczny
sym ulacyjny
W rozdziale 4 i 5 pracy (str. 54 - 109) zaprezentow ane zostały starannie ułożone i uzasadnione obliczenia dynam iki pojazdu dla przypadku napędu spalinow ego. Przedstaw iono bilans energetyczny konw encjonalnego pojazdu oraz przew idyw aną charakterystykę dynam iczną. O bliczenia w ykonano w program ie M atlab, dobrano przełożenia skrzyni biegów i przeanalizowano opory ruchu. N a podstaw ie w ykresów oporów ruchu w yznaczono m aksym alną prędkość pojazdu w trybie elektrycznym na ok. 65 km/h. Do obliczeń przyjęto założenia upraszczające, które nie budzą zastrzeżeń. M asa pojazdu w w ersji hybrydowej w zrosła z 935 kg do 1213 kg, co pogorszyło dynam ikę pojazdu o ok. 23% w trybie jazdy spalinowej. Dobrano rów noległy napęd hybrydow y na tylnim m oście z silnikiem elektrycznym Lemco o m ocy 15 kW . N apęd elektryczny został w yposażony w akum ulatory Trojan, których szczególną zaletą je st długa żyw otność i odporność na częste i głębokie rozładow ania. Dzięki kom paktowej zabudow ie silnika elektrycznego wraz z zestawem 6 akum ulatorów , m ożliw e było zachow anie tylniego rzędu siedzeń dla pasażerów. O graniczona do m inim um została przestrzeń bagażnika pojazdu.
W p. 4.4 przedstaw iono model num eryczny zaw ieszenia pojazdu, w yprow adzono rów nania różniczkow e ruchu, zależności na energię kinetyczną, potencjalną i energię dyss]
1 pŁ“ŚlURO DZIEKANA
RMT 2011 -02- 1 1 L
dz^Pl
II* J ®Po otrzym aniu końcow ych rów nań ruchu dla uproszczonego m odelu zaw ieszenia, otrzym ane m acierze tłum ienia, sztyw ności i sił zew nętrznych układu - zapisano w program ie M ATLAB i poddano szeregu sym ulacjom . N astępnym krokiem było zam odelow anie silnika elektrycznego i w ykonanie odpow iednich obliczeń pozw alających na m odelow anie odpow iednich trybów pracy.
R ozdział 5 (str. 80 - 109) zaw iera opis program u kom puterow ego do badań symulacyjnych. M odel silnika spalinow ego został opracow any w program ie M atlab/Sim ulink i pozw ała na obliczenia zużycia paliw a w stanach ustalonych oraz sym ulację zużycia paliw a podczas zadanych cykli jazdy takich ja k EC E, N ED C lub EUDC. A lgorytm obliczeniow y pozw ala w yznaczyć zużycie paliw a na podstaw ie w yliczonej m ocy wymaganej do pokonania oporów ruchu, w ynikających z zadanego cyklu jazdy. Całość program u ja k i param etry pracy zostały szczegółow o dobrane i uzasadnione i tym sam ym św iadczą o w nikliw ości i kom petencjach jego autora. Parametry program u zostały następnie zw eryfikow ane z danym i Centrum R ozw oju Fiata, w ykazując popraw ność w prow adzonych danych i przyjętych założeń.
3. Standardowe cykle jazdy ( str. 92 - 102)
Są to program y sym ulacyjne dla jazdy miejskiej ECE - 196 sekund, EUDC - 400 sekund i N ED C 180 sekund. W celu zw iększenia dokładności i pow tarzalności w yników pom iary w ykonano na stanow isku laboratoryjnym , sym ulującym opory ruchu i zm ienne prędkości jazdy. O pracow ano 6 tras w aglom eracji śląskiej badając całkow ite zużycie paliwa.
Celem przeprow adzonych symulacji była w eryfikacja popraw ności działania algorytm u obliczeniow ego w porów naniu z w ynikam i oprogram ow ania CRF Pow ertrain. D la w szystkich 6 tras obliczono zużycie paliw a w ykazując obniżkę rzędu 6,5 - 17%. N ajniższe zużycie paliw a uzyskano dla przypadków jazd y m iejskiej.
4. Obliczenia sym ulacyjne dla napędu elektrycznego
Podano m odel dynam iczny napędu tylnej osi pojazdu, ustalono m asę i pojem ność zestawu akum ulatorów oraz podjęto próbę doboru mocy silnika elektrycznego. W ybrany silnik o m ocy 15 kW m a dobre w łaściw ości trakcyjne i pozw ala na płynną jazd ę w ruchu m iejskim z prędkością poniżej 65 km/h. W adą tego rozw iązania je st stosunkowo duża m asa całego układu napędu tylnej osi.
5. Algorytm sterujący
A lgorytm decydujący o przepływ ie m ocy został opracow any w program ie M atlab/Sim ulink przy użyciu narzędzia Stateflow. N a podstaw ie danych w ejściow ych w prow adzonych do systemu, obliczane je st zapotrzebow anie energetyczne, tw orzony je st bilans m ocy obu silników oraz w ysyłane są sygnały w ym uszające do obu silników. W cyklu pracy m ożna w yróżnić trzy podstaw ow e tryby: ja z d a w trybie elektrycznym - przy niskich prędkościach, w spom aganie silnikiem elektrycznym - przy przyspieszaniu oraz rekuperacja energii przy ham owaniu. W rozdziale tym om ów iono przyjęte rozw iązania dla: jazdy w trybie spalinowym , trybie m ieszanym oraz ładow ania akum ulatorów i ham ow ania regeneracyjnego.
Rozw iązanie algorytm u sterującego stanowi istotny tw órczy w kład pracy doktoranta. 2
6. D em onstrator technologiczny (str. 110 - 12 3 )
Budow a dem onstratora przy tak szczupłych środkach na realizację projektu była m ożliw a dzięki bezpłatnem u użyczeniu sam ochodu Fiat Panda 4W D. Praca została w ykonana z pełnym pow odzeniem i w założonym term inie. W ykonano m odel w irtualny w technice CAD, który posłużył do integracji podzespołów oraz w ykonania now ego okablow ania układu instalacji elektrycznej - trakcyjnej 48V /72V /96V i pokładowej 12V. Pow stał układ sterow ania silnika spalinowego z zastosow aniem m ikroprocesow ego sterow nika w ykorzystującego technologię M OSFET. Do zarządzania pracą system u napędow ego w ybrano program ator, który służy ręcznego bądź autom atycznego zarządzania pracą układu.
K oncepcja hybrydow ego napędu pojazdu polega na zainstalow aniu na tylniej osi opisanego uprzednio zestaw u elektrycznego z bateriam i, silnikiem elektrycznym i zm ienionym tylnim m echanizm em różnicow ym , który je st napędzany silnikiem elektrycznym o m ocy 15 kW, zam ontow anym na podw oziu sam ochodu. W efekcie został zbudow any pojazd dem onstrator technologii, który pozw olił na zrealizow anie koncepcji pracy doktorskiej.
B adania trakcyjne w ykonane po uruchom ieniu pojazdu potw ierdziły osiągnięcie planow anych założeń konstrukcyjnych. U zyskano oszczędności zużycia paliw a w granicach 4,0%. W yniki przeprow adzonych analiz, ja k tw ierdzi autor, w skazują, że oszczędności paliw a m ogą sięgać naw et
16%.
7. Uwagi ogólne
Tem atyka pojazdów hybrydow ych nie je st now a i ja k w ykazał doktorant wiele potężnych finansowo ośrodków badaw czych stara się opracow ać coraz to doskonalsze rozwiązania. W iodącą m arką w tej dziedzinie je st koncern Toyota, który z pow odzeniem opracow ał układy hybrydow e w pojazdach: Toyota Prius, T oyota C am ry oraz w kilku m odelach m arki Lexus.
W yższe koszty budow y takich pojazdów oraz ograniczona żyw otność baterii sprawiają, że skuteczną, ja k dotychczas alternatyw ną są rozw iązania B lueefficency np. firm M ercedes Benz lub V olkswagen, z zastosow aniem odpow iednich wersji silników w ysokoprężnych, rozw iązań obniżających opory ruchu i redukcją m asy ogólnej pojazdu. A utor pracy zna te problem y i opisuje je we wstępnej części pracy. M ożna więc stw ierdzić, że kierunki rozw oju napędów energooszczędnych, w tym , hybrydow ych są spraw ą otw artą i dlatego poszukiw anie nowych rozw iązań ja k na przykład prezentow ana praca m a sens i przyczynia się do rozw oju postępu technicznego. D oktorant w ybrał do badań m ałolitrażow y sam ochód Fiat Panda z silnikiem w ysokoprężnym o bardzo dobrych param etrach użytkowych. O cenić trzeba ten fakt - jako utrudnienie zadania badaw czego i dlatego, w ykazanie, m im o tego oszczędności w zużyciu paliw a dobrze św iadczy o w yborze koncepcji m erytorycznym przygotow aniu doktoranta. Problem em technicznym w projektow aniu napędu hybrydow ego pojazdu je st dobór algorytm u sterowania rozdziałem mocy. Jest to zagadnienie w ielokryterialne obejm ujące takie problem y jak: poziom naładow ania baterii, rodzaj cyklu jazdy (m iejski, terenow y, m ieszany), styl jazdy kierowcy, w arunki drogow e (zakręty, pochylenia, drogi), i dodatkow e obciążenia ja k liczba pasażerów czy przew ożony ładunek. A lgorytm sterow ania rozdziałem m ocy pow inien uw zględniać te czynniki i zapew nić racjonalne zużycie paliwa. Praca zaw iera próbę opracow ania takiego algorytm u lecz
zdaniem recenzenta je st to początek drogi, w ym agający praw dopodobnie w ielu korekt i większej liczby badań zarów no trakcyjnych, ja k i stanow iskow ych. M im o to zaproponow any algorytm je st oryginalnym dorobkiem technicznym autora i świadczy o dojrzałości naukowej w stawianiu i rozw iązyw aniu zadań badaw czych. D oktorant dysponow ał bardzo niskim funduszem na realizację projektu. D latego w ysoko trzeba ocenić, że zostały w ykonane w artościow e badania jak model w irtualny sam ochodu, obliczenia dynam iki napędu, opory ruchu, m odel zaw ieszenia pojazdu. Dobrano także z odpow iednim uzasadnieniem napęd elektryczny i obliczenia części elektrycznej. W ykonano dem onstrator technologiczny sam ochodu Fiat Panda w w ersji e4W D i poddano próbom trakcyjnym . Teza pracy została udow odniona.
8. Uwagi szczeg ó ło w e
Przekazano doktorantow i w trybie roboczym i zostały one uw zględnione.
9. W niosek k oń cow y
R ozpraw a doktorska p t.’’M odelow anie dynam iki napędu hybrydow ego” przedłożona przez mgr inż. A dam a Stachurę - reprezentuje w ystarczający poziom naukow y i techniczny, aby dopuścić ją do publicznej obrony. A utor w ykazał um iejętność posługiw ania się złożonym i metodam i badaw czym i oraz sam odzielność w rozw iązyw aniu zadań naukow ych. Tym samym uważam , że przedłożona rozpraw a doktorska z nadm iarem spełnienia w arunki §6 u st.l o stopniach i trybie naukow ym z dnia 14 m arca 2003 r. i w noszę o dopuszczenie m gr inż. A dam a Stachurę - do publicznej obrony pracy doktorskiej na W ydziale M echanicznym Technologicznym Politechniki Śląskiej.
