Prof. dr hab. inż. Eugeniusz Świtoński Katedra M echaniki Stosowanej
W ydział M echaniczny Technologiczny Politechnika Śląska w G liw icach
G liw ice 14.02.201 lr.
R ecenzja rozpraw y doktorskiej
M gr. inż. A dam a Stachury
pod tytułem
„M od elow an ie dynam iki napędu hyb ryd ow ego”
1. Ocena aktualności w ybranego tematu
Intensyw ny rozw ój technologiczny i zw iększającą się nieustannie liczba pojazdów, przy jednocześnie zm niejszających się światow ych zasobach ropy naftow ej, pow odują konieczność poszukiw ania now ych rozw iązań energooszczędnych układów napędowych pojazdów sam ochodow ych. Jednym z m ożliw ych sposobów je st stosowanie spalinowo- elektrycznych napędów hybrydow ych, stanow iących złożone układy mechatroniczne. Istotnym problem em w ystępującym w procesie projektow o-konstrukcyjnym tego typu układów staje się konieczność integracji system ów m echanicznych, elektronicznych i inform atycznych w celu osiągnięcia efektu zm niejszenia zużycia paliw a przy jednoczesnej popraw ie w łasności trakcyjnych pojazdu. Systemy m ikroprocesorow e, w raz z odpowiednimi program am i sterującym i, stają się integralną częścią układów uw ażanych dotychczas za mechaniczne. Złożoność w zajem nych oddziaływ ań pom iędzy różnym i podsystemami w ym aga jednak now ego podejścia do zagadnień projektow ania układów mechatronicznych. Integracja poszczególnych podsystem ów złożonego układu m echatronicznego musi być realizow ana od początku procesu projektow o-konstrukcyjnego. W zajem ne dostrojenie poszczególnych układów w ym aga stosowania zaaw ansow anych m etod modelowania m atem atycznego. O pracow anie now oczesnych algorytm ów i metodyki projektowania m echatronicznego, w ykorzystujących dostępne oprogram ow anie i m etody symulacyjne, staje się zatem obecnie w ażnym zadaniem badawczym.
Tem atykę kom puterow ego w spom agania projektow ania układów m echatronicznych podjął Doktorant, który zaprojektow ał w ujęciu m echatronicznym i w ykonał dem onstrator m iejskiego pojazdu hybrydow ego z w ykorzystaniem podzespołów pojazdu Fiat Panda. Główną trudność w doborze cech konstrukcyjnych rozpatryw anego układu stanowi złożoność zjawisk fizycznych oraz w łaściw y dobór charakterystyk napędu spalinowego oraz elektrycznego, tak aby przy założonych cyklach jazd y uzyskać m inim alizację zużycia paliwa. Jednocześnie badany układ i proces ruchu stwarzają znaczne trudności podczas identyfikacji modeli matematycznych.
Przedm iotem recenzowanej pracy jest proces m echatronicznego projektowania i prototypow ania dem onstratora pojazdu hybrydowego. W ybrany tem at pracy doktorskiej
BIURO DZIEKANA
uważam za aktualny zarów no pod względem naukowym, ja k rów nież utylitarnym , a tematyka rozprawy m ieści się w dyscyplinie m echanika w specjalności m echatronika.
2. Przegląd treści pracy
Treść rozpraw y została podzielona na dziewięć rozdziałów , a ponadto zamieszczono bibliografię. W rozdziale pierw szym opisano historię rozw oju napędów hybrydow ych oraz ich podstawowe typy i aplikacje. Opis ten wykorzystano w późniejszej analizie i wyborze rozw iązania technicznego do budowy dem onstratora technologii. Przedstaw iono także przegląd literaturowy publikacji zw iązanych z budową, m odelow aniem i optymalizacją elementów napędu hybrydow ego.
Rozdział drugi rozpraw y zaw iera opis rozw iązań hybrydow ych układów napędowych opracowanych i w drożonych przez światow ych producentów sam ochodow ych. Szczególną uwagę pośw ięcono w ynikom eksperym entalnych testów pojazdów dostaw czych o napędzie hybrydowym. W nioski płynące z analizy zostały uw zględnione przy tw orzeniu wstępnych założeń do budow y prototypow ego napędu. Omówiono rów nież stanow isko laboratoryjne napędu hybrydow ego, opracow ane i w ykonane w K atedrze M echaniki Stosowanej Wydziału M echanicznego T echnologicznego Politechniki Śląskiej, służące do badań i optym alizacji hybrydow ego napędu szeregow ego oraz równoległego.
Cel i zakres pracy ja k rów nież tezę rozpraw y sform ułow ano w rozdziale trzecim. O m ów iona została koncepcja budow y dem onstratora technologii, na potrzeby której opracow ano projekt napędu typu e4WD. W yróżniono także podstaw ow e parametry eksploatacyjne pojazdu co m iało decydujący w pływ na dobór podzespołów do budowy napędu dem onstratora.
W rozdziale czw artym przedstawiono obliczenia w zakresie dynam iki pojazdu. O bliczenia zostały przeprow adzone dla pojazdu w w ersji konw encjonalnej i hybrydowej. W yniki obliczeń zostały w ykorzystane do doboru mocy silnika elektrycznego. Przyjęty algorytm uw zględnia w yliczenia oporów ruchu, bilans przyspieszeń oraz analizę podstaw ow ych param etrów użytkow ych pojazdu. Schem at obliczeń został również w ykorzystany przy opracow aniu program u kom puterowego w spom agającego proces projektow ania napędu hybrydow ego. Przedstaw iono ponadto analizę w yboru dwóch spośród najw ażniejszych elem entów napędu elektrycznego czyli silnika elektrycznego oraz baterii akumulatorów. Przedstaw iony w tym rozdziale model dynam iki zaw ieszenia pojazdu został wykorzystany do określenia w pływ u zm ian konstrukcyjnych pojazdu bazowego na jego param etry trakcyjne.
Rozdział piąty zaw iera opis program u kom puterowego w ykonanego w środowisku M atlab/Sim ulink. Przedstaw iono algorytm w yznaczania zużycia paliwa, oporów ruchu oraz opracowany schem at działania programu. Przeprow adzono także badania porównawcze z wynikam i obliczeń oprogram ow ania PowerTrain używ anego w procesie projektowo- konstrukcyjnym firm y FIAT. W kolejnych podrozdziałach om ów iono standardowe cykle jazdy oraz w yniki sym ulacji dla eksperym entalnych cykli w yznaczonych na potrzeby projektu. Otrzymane wyniki pozw oliły oszacować przybliżone oszczędności paliw a dla pojazdu z napędem hybrydow ym . W kolejnym podrozdziale przedstawiono algorytm sterujący napędem hybrydow ym , który został zaim plem entow any w programie
M atlab/Sim ulink przy w ykorzystaniu narzędzi StateFlow. O pisane zostały trzy stany pracy napędu: elektryczny, spalinow y i hybrydow y oraz param etry decydujące o przepływie mocy w układzie. O m ów iono rów nież zasadę działania układu na podstaw ie komputerowych w izualizacji napędu.
W rozdziale szóstym zaprezentow ano budow ę dem onstratora technologii. Przedstaw iono kolejne fazy realizacji projektu co zostało poparte dokum entacją zdjęciową oraz w izualizacjam i kom puterow ym i. Opisano także charakterystyki kom ponentów w ykorzystanych przy budow ie prototypow ego napędu e4WD.
Program badań eksperym entalnych został przedstaw iony w rozdziale siódmym. Badania przeprow adzono na testow ym odcinku drogi oraz na ham ow ni podw oziow ej. Wyniki badań porów nano z w ynikam i przeprow adzonych symulacji kom puterowych.
Rozdział ósm y zaw iera analizę kosztów budowy napędu hybrydow ego dla małego pojazdu m iejskiego. Zestaw iono koszty budowy pojazdu oraz przedstaw iono analizę m ożliw ych oszczędności przy eksploatacji pojazdu podczas jego użytkowania.
W ostatnim rozdziale podsum ow ano wyniki przeprow adzonych prac stwierdzając jednocześnie realizację celu i zakrsu rozprawy. Spis literatury w ykorzystyw anej w pracy zaw iera 92 pozycje literaturowe. U w zględniono w iększość istotnych prac z zakresu omawianej tem atyki badaw czej, w tym wiele prac o podstaw ow ym znaczeniu dla rozważanego problem u.
3. W yniki pracy i ich ocena
Pod w zględem m erytorycznym praca doktorska je st opracow ana praw idłow o, zakres m erytoryczny je st obszerny i w ielodyscyplinarny. A utor przedstaw ia now e osiągnięcia w zakresie projektow ania napędów hybrydow ych oraz doboru układów i algorytm ów sterowania tego typu urządzeń w ujęciu m echatronicznym . Do głów nych zalet opiniowanej pracy, a jednocześnie osiągnięć D oktoranta należy zaliczyć:
• opracow anie program u kom puterow ego do analizy zużycia paliw a w spalinowo- elektrycznym napędzie hybrydow ym ,
• opracow anie koncepcji i w ykonanie projektu pojazdu hybrydow ego w układzie e4WD w ujęciu m echatronicznym ,
• opracowanie, w ykonanie i uruchom ienie układu sterow nia zaprojektow anego pojazdu, wraz z algorytm am i sterow ania, um ożliw iającego m inim alizację zużycia paliwa,
• zaprojektow anie i w ykonanie prototypu urządzenia, um ożliw iającego praktyczną weryfikację przyjętych założeń konstrukcyjnych i algorytm ów obliczeń,
• przeprow adzenie badań dośw iadczalnych układu napędowego na specjalnym stanowisku badawczym,
• możliwość w drożenia opracow anego rozw iązania i w ykorzystania osiągniętych wyników w praktyce.
Część dośw iadczalna pracy polegała w głównej m ierze na przeprow adzeniu badań na ham owni oraz jazdy w zadanym cyklu jazdy, w w yniku których Doktorant otrzymał niezbędne dane do w eryfikacji przyjętych założeń konstrukcyjnych oraz algorytm ów obliczeń numerycznych. O pracow ane algorytm y stanow ią Jego autorskie osiągnięcie i pozw alają na automatyzację procesu doboru elem entów układu napędowego oraz algorytm ów sterowania.
Doktorant w ykazał się obszerną w iedzą z zakresu m echaniki, budow y m aszyn, automatyki i program ow ania, a także um iejętnościam i inżynierskim i, co zaow ocow ało pozytywnym i wynikam i badań.
O prócz w skazania drobnych błędów redakcyjnych, stylistycznych i interpunkcyjnych, zauw ażonych w trakcie lektury pracy, nasuw ają się jeszcze następujące szczegółowe kom entarze i uwagi:
• W pracy zabrakło szczegółow ego schematu postępow ania i harm onogram u procesu projektow o-konstrukcyjnego, który uw idaczniałby m echatroniczne podejście do projektow ania napędu hybrydow ego.
• Brakuje krytycznego przeglądu literatury, naw iązującego do bardzo obszernej tematyki pracy, w tym szczególnie m etod m odelow ania dynam iki oraz optym alizacji układu. R ozdział taki z pew nością w płynąłby na uporządkow anie treści i uw ypukliłby osiągnięcia własne Autora.
• W pracy zabrakło dyskusji na tem at uproszczeń w procesie m odelow ania, co utrudnia analizę popraw ności procesu m odelow ania i otrzym anych w yników obliczeń.
• Cennym efektem pracy byłby algorytm optym alizacji cech konstrukcyjnych w ykorzystujący opracow ane m odele dynam iki pojazdu.
W ym ienione pow yżej uw agi zostaną zapewne skom entowane przez A utora rozprawy w trakcie publicznej obrony i nie um niejszają wysokiej pozytywnej oceny pracy.
4. Ocena końcowa
R ecenzow ana praca je st obszerna pod w zględem zakresu m erytorycznego, zaw iera interesujące algorytm y, oraz wyniki badań sym ulacyjnych i doświadczalnych przeprow adzonych z w ykorzystaniem opracowanego rozw iązania konstrukcyjnego pojazdu hybrydowego. Stanow i to niew ątpliw ie odpow iedni w kład A utora w zakresie rozw oju metodyki projektow ania m echatronicznego spalinow o-elektrycznych układów napędowych. O pracow ane rozw iązania konstrukcyjne układu napędowego oraz układu sterowania, modeli dynam icznych i algorytm ów sterowania, metodyki pom iarów i sposób realizacji badań świadczą o bardzo dobrym przygotow aniu doktoranta do prow adzenia badań naukowych. N a podkreślenie zasługuje utylitarna strona dysertacji. Otrzymane wyniki i opracow ane wnioski m ogą być bezpośrednio zastosow ane w procesie projektow ania now oczesnych układów hybrydowych.
Uważam, że opiniow ana praca Pana mgr. inż. A dam a Stachury spełnia wymogi przew odu doktorskiego, określone w Ustawie z dnia 14 marca 2003 roku o stopniach
naukowych i tytule naukow ym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki. W nioskuję
