HHV predavanje - titan.fsb.hrtitan.fsb.hr/~jpetric/Predavanja/El i Hi vozila_HHV.pdf · Aksijalno klipne pumpe i motori • Sa zaokrenutom pločom – Svestrana, trajna i ekonomična,

25.5.2017.

1

Izborni kolegij: Upravljanje električnim i hibridnim vozilima

Teme: Hibridna hidraulička vozila (HHV)

Hibridna pneumatska vozila (HPM) Hibridna mehanička vozila (HMV)

Joško PetrićFSB, Sveučilište u Zagrebu

HHV - uvod

• Zašto HV, kako smanjiti potrošnju goriva i emisiju štetnih plinova i čestica?

– Iskorištavanje energije kočenja

– Rad ICE u najboljem području (i isključiti ga kad je moguće)

– Pokriti vršnu energiju ICE (i tako izbjeći predimenzioniranje)

• HHV = ICE + hidrostatički prijenosnik + pohrana

energije (pretežno u hp akumulatore)

Građevinski strojevi, gusjeničari, poljoprivredni strojevi, itd.

HHV - uvod

• Zašto HHV– Hp akumulatori pohranjuju i otpuštaju energiju velikom

brzinom

– Gustoća energije hidrauličkih komponenti

– Koriste se (manje-više) standardne komponente

– Upravljačka arhitektura razmjerno se lako integrira u cjelokupni sustav

Najpogodniji kandidati za HHV su „commercial

vehicles*”: teretna, autobusi, specijalna, itd., i to oni kojima je vozni ciklus pretežno gradski „stani-kreni”.

*Podjela iz SAD: 8 kategorija komercijalnih vozila razvrstanih po težini, od < 2,7 t do > 15 t EU podjela drugačija: teretna, putnička, specijalna, itd.

HHV - uvod

• Hp akumulatori: velika gustoća snage, ali mala gustoća energije!

• Procjena da se ≈ 70 % energije kočenja može iskoristiti s današnjim stanjem tehnike, a uz poboljšanja i do 85 %(HEV analogija s baterijama je oko 40 %)

HHV - uvod

„Ragone chart* ”

* po D. V. Ragoneu (SAE paper iz 1968. na temu baterija za EV)

HHV - uvod

Hp akumulatori

UPS dostavno vozilo

25.5.2017.

2

HHV - uvod

Jedna usporedba različitih načina pohrane energije (iz članka D.P.,

M.H., J.P., Z.H. i J.D. „An Overview of Energy Storage Systems Considering Renewable Energy Applications”, SDEWES 2011.)

HHV - uvod

• Primjeri: Eaton, Parker, BoschRexroth, ..

HHV – vrste sustava

• Paralelni

• Serijski

• Paralelno-serijski (ili serijsko-paralelni* ili power-split)

• Konvencionalan:

*npr. u: Ehsani, Gao, „Handbook of..: Hybrid Drivetrains”, 2005.


• Paralelni: – Prijenos snage mehaničkim (efikasnim) i hidrauličkim putem

– Ne odvaja se ICE* od kotača (manja mogućnost da radi u povoljnom režimu)

– Pogodno za retrofiting

• Serijski:– Prijenos snage hidraulički, potpuno odvojen ICE od kotača

– Mogućnost smanjenja ICE, rad u povoljnom režimu

– Konverzija energije, gubici, zato je vrlo bitna efikasnost hidrauličkog dijela

• Paralelno-serijski (Power-split)

– Prednosti obe prethodne konfiguracije: prijenos snage mehaničkim putem (uz visok η) ali i odvajanje ICE (optimalno dimenzioniranje i područje rada)

– Često moguć potpuno mehanički način rada (pomoću spojke)

– Kompleksnost

* ICE – motor s unutarnjim izgaranjem (Internal combustion engine)


• Ukupni stupanj korisnog djelovanja pogona:

�� = ��%

��+1 −%

��

η ICE (≈ 0.33, a za paralelni hibrid i manje)

ηhy hidraulike

ηmeh mehaničkog prijenosa

Postotak prijenosa hidrauličkim putem (1 za serijski, za par. ili p.s. ovisi o upr. strategiji, cca 0.6)

Izvor: K.L.Cheong „Design and Analysis of Hydraulic Hybrid Passenger Vehicles”, PhD, UoMinnesota 2015.


Paralelni: pogodno iz 1 u 2, ali nepovoljno iz 3 u 4

Serijski ili power-split: umjesto iz 1 u 2 (CVT), povoljni skok u 3

Izvor: K.L.Cheong „Design and Analysis of Hydraulic Hybrid Passenger Vehicles”, PhD, UoMinnesota 2015.

25.5.2017.

3


• Primjer evolucije: Parker CumuloAdvanced (RunWise) serijski + kruti mehanički prijenosserijski h. za v < 35 mph,direct drive za v > 35 mph

HHV - paralelni

HHV - serijski HHV – paralelno -serijski

Ili serijsko-paralelni ili Power-split

Hidrostatički prijenosnici i power-split

• Hidrostatički prijenosnik – hidr. pumpa pokreće hidr. motor tako da se na jednostavan način postiže kontinuirano promjenljiva veza između izvora snage i opterećenja (CVT)

• Otvoreni i zatvoreni

1

1

1

P

T

n

Q

p∆1V 2V

2

2

2

P

T

n1

1

2 =P

P

2

1

1

2

V

V

n

n=

1

2

1

2

V

V

T

T=

Idealan slučaj


• Različite konfiguracije: 2

0.5

1ϕ

n2

T2

P2

η

1a)

1

b)

2ϕ

n2

T2

P2

η

1

1ϕ 2ϕ

c)

Pump adjustment Motor adjustment

n 2

T2

P2

d)

1ϕ

2ϕ

n2T2

P2

21

10 0.50

0.50 1

1 0

0.50.50 0

21

1 2

max_/ iii VV=ϕ

25.5.2017.

4


• Hidrostatički prijenosnik sekundarno upravljan (HT with

secondary control)

2V

LQ

constp =

2n

2T

2P

1P[ ] [ ] [ ]Nm8.62/bar.rev/cm322 constpVT ⋅=

T2 = f (QL) analogija s EM (T= f (I))


• Hidrostatički prijenosnik – S hidrauličkom vrem. konstantom

– Regulacija brzine: PID ili PD + ff brzine

– Regulacija momenta: PID

• Hidrostatički prijenosnik sekundarno upravljan– Ne uključuje hidr. vrem. konstantu

– Regulcija brzine: P ili PD

– Regulacija momenta: P ili PI


• Power-split – paralelni mehanički put prijenosa snage

• Načelno, hidrostatički prijenos na manjim brzinama a mehanički na većim

• Puno različitih varijanti, dvije glavne:– Ulazno spregnuti sustav („torque-split”)

– Izlazno spregnuti sustav („speed-split”)

Ovisi o smještaju planetaraca - koje možemo smatrati „brzinskim sumatorom” – izlazna brzina je suma brzina na ulazu (pomnoženih s pr. odnosom), a za razliku od običnog para zupčanika koji su „sumatori momenta” gdje je na izlazu suma momenata na ulazu (multipliciranih s pr. odnosom)


Ulazno spregnuti sustav („torque-split”)

Pumpa starta s θ1 = 0 (dakle čisti meh. prijenos, omjer kpl), a prijenos se tipično podešava promjenom volumena pumpe (dakle motor može biti i konstantnog volumena)

In

Motor,V2Pump,V1

Out

1θ 2θ

a

b c

dr

s

ca

21 / VV +

plk

gearkVV /1/ 21 =−

nout /

nin


Izlazno spregnuti sustav („speed-split”)

Pumpa starta s θ1 = 0, a motor s maksimalnim volumenom θ2 = max

Pumpa i motor podešavaju se uzastopno. Čisti mehanički prijenos (omjer kpl) je za θ2 = 0.

OutIn

1θ 2θ

a

b

d

c

s

ca

r

Motor,V2

12 /VV +

gearkVV /1/ 12 =−

nout / n

in

plk/1

Pump,V1


Primjer primjene power-splita za traktore više klase:

Izlazno spregnut

Izvor: J.P. et al. „HYDRO-MECHANICAL TRANSMISSIONS IN TRACTORS AND AGRICULTURAL MACHINES”, 2007.

25.5.2017.

5

Hidrauličke komponente za HHV

• Hidro-pneumatski akumulatori i niskotlačni spremnici

• Pumpe i motori

• Ostalo

– hlađenje

Hidro-pneumatski akumulatori

– Akumulatori s mijehom (bladder acc.)

– Akumulatori s klipom (piston acc.)

– Membranski (diaphragm acc.)

– S metalnim mijehom (metal bellows acc.)

Hidro-pneumatski akumulatori

• Pohranjuju energiju u stlačenom plinu ( obično N2)

• Pretpunjenje plinom

• Obično je omjer max/min tlaka oko 2 (optimalan omjer cca 2.5)

• Volumen akumulatora je volumen plina kod praznog akumulatora

• Omjer max/min 2 daje koristan volumen ≈ ½ volumena praznog ak.

p1

p2

p3

p0

V3

p

V

3

2

10

W12

V1V2 V0

00Vp

11Vp

22Vp

33Vp

Razlika p1 i p0 tep3 i p2 je cca 10 %

Hidro-pneumatski akumulatori s mijehom

• Plin je pohranjen u polimernom mijehu (permeabilnost→pražnjenje, i to tako da se plin apsorbira u ulju (loše!))

• Može biti i horizontalna montaža, ali onda su moguća ograničenja vezana uz max protok

• Vjerojatno najzastupljeniji kod HHV

Hidro-pneumatski akumulatori s klipom

• Klip odvaja plin od ulja

• Curenje je malo, ali je trenje nešto veće → moguće gibanje s zastajkivanjem, trzajima

• Često je definirana max brzina gibanja klipa (max Q) radi trajnosti

Hidro-pneumatski akumulatori, materijali

• Čelik visoke čvrstoće (tlačni spremnik mora izdržati tlak 3x max radni tlak (u EU, a u SAD je 4x), značajne implikacije na težini).

• Kompozitni materijali vrlo obećavajući (karbonska vlakna ili karbonska i staklena vlakna), 60 – 70 % redukcije težine (2.5 – 3 x max radni tlak, jer je manje nasilno razaranje od čeličnog). Cijena visoka, ali pada. Ojačanja od kompozita (npr Al + komp.)

25.5.2017.

6

Hidro-pneumatski akumulatori, stupanj korisnog djelovanja i odzivi

• Iako je po brzini promjena stanja adijabatska, vrlo brza izmjena topline vodi k izotermnoj promjeni stanja (posebno za ak. s mijehom)

• Za tipičan 2:1 omjer tlakova η ≈ 80 % (ovisno o vremenu zadržavanja)

• Umetci od pjene (toplinski izolatori) osiguravaju manju izmjenu topline, η ide i do 95 %

Niskotlačni spremnici

• Opasnost kavitacije (posebno ako je fluid hladan)

• Tri vrste niskotlačnih spremnika:– Otvoreni sustav (atmosferski spremnik)

Jednostavan, jeftin, treba biti dobro projektiran, opasnost od kontaminacije veća (primjer Rexroth kamion za smeće, spremnik je 1,5 m iznad pumpe)

– Tlačni spremnik (spremnik pod niskim tlakom, s kompresorom (gubitak energije) ili bez)

– Niskotlačni akumulator, zatvoreni sustav (3 – 10 bar)Nema dodira s okolnim zrakom (čistoća, vlažnost je pod kontrolom), podesiv tlak predpunjenja, suzbija aeraciju → manja buka, konstrukcija manje fleksibilna, najskuplja varijanta..

Pumpe i motori

• Klipne pumpe i motori se koriste (zbog zahtjeva za visokim tlakovima, dobrim η i mogućnosti promjene volumena):– Aksijalno klipne

• Sa zaokrenutom pločom (swash plate)

• Sa zaokrenutim bubnjem (bent axis)

– Radijalno klipne• S ekscentričnom osovinom (with internal support)

• S ekscentričnim blokom (with external support)

Aksijalno klipne pumpe i motori

• Sa zaokrenutom pločom– Svestrana, trajna i ekonomična, brze promjene volumena, prolazna

osovina za višestruke jedinice, kućište može biti i od lakih legura (manje bočne sile)

– Češća za paralelne hibride, i to standardne jedinice („off-the-shelf”)

• Sa zaokrenutim bubnjem– Kompaktna, bolji η, potrebne modifikacije za brže zakretanje i

reverziranje (pumpa/motor), kućište od lijevanog željeza (veće bočne sile)

Radijalno klipne pumpe i motori

• Općenito su s fiksnim volumenom, pa im je primjena kod hibrida ograničena

• Dobar η,

• Radijalno klipna jedinica s eksc. blokom (multi-lobe cam

design) daje velik moment na niskim brzinama vrtnje (LSHT) što je dobra karakteristika za motor (direktan, npr. u glavini)

Pumpe i motori – nove konstrukcije

• Serijski hibridi zahtijevaju dobar (odličan!) η, stoga su nužne i nove, bolje konstrukcije hidrauličkih strojeva, kao na primjer:– INNAS Floating cup axial piston units

– Artemis Digital Displacement radijalno klipna jedinica

– Aksijalno klipna crpka sa zakretnim bubnjem (US EPA & UMich Ann Arbor)

25.5.2017.

7


INNAS Floating cup axial piston units– Ekonomična, mala, mala buka, odličan η, neke karakteristike a.k. sa

zaokrenutom pločom i sa zaokrenutim bubnjem

The core of the Floating Cup principle is the shaft on which the rotor plate is fixed. The pistons are locked onto the rotor: there is no movable joint between the pistons and the rotor. The pistons are double faced. Unlike conventional axial pistons machines the pistons are not running in a collective cylinder block or barrel. Instead each piston has its own cup-

like cylinder. The cylinders are supported by means of a barrel, one on each side of the rotor.To create a positive displacement the barrel plates have to be maneuvered in an angular position. This makes the cylinders move up and down over the pistons.


INNAS Floating cup axial piston units

Masa vs volumen

Pulsacije

HYDRID


Artemis Digital Displacement radijalno klipna jedinica– Odličan η (posebno pod djelomičnim opterećenjem), brze promjene,

problem pouzdanosti zbog mnogo brzih elektromagneta (cijena i kompleksnost)


Artemis Digital Displacement radijalno klipna jedinica

Each cylinder has two actively controlled poppet valves, one to each of the high and low pressure manifolds. When idling (left in the diagram below) the fluid flows in and out around the low pressure valve. The high pressure valve remains closed and isolates the reciprocating cylinder from the high pressure fluid. When pumping (right), the microprocessor closes the low pressure valve to send fluid to the high pressure service.


• Serijski hibrid s Artemis Digital Displacement jedinicama:

96 ccm pumpa; 2 x 192 ccm motoriMax v ≈ 250 km/h pri 2000 o/minZaustavljanje ICE, paljenje hidrauličkiPut ≈ 300 m samo sa akk. (15 l)Aktivni ESP i TCS


Usporedna tablica η (pri 1500 o/min, 250 bar)

Napomena: bez uključenog curenja kod mehanizma za promjenu volumena, te bez uključene el. energije za ventile (kod A.d.d.)

Tip pumpe 100 % Q 50 % Q

Sa zaokrenutom pločom 92 % 87 %

Sa zaokrenutim bubnjem 94 % 91 %

Artemis d.d. 96 % 93 %

25.5.2017.

8


Aksijalno klipna crpka sa zakretnim bubnjem nove konstrukcije,

US EPA (Ann Arbor)

Vrlo veliki kut zakreta na malim brzinama →

veliki moment (na velikim se ne može tako zakrenuti, ali tada nije ni potrebno)

veliki η

brze promjene volumena

mogućnost reverziranja (IV kv. operacije, uz pomoć ventila)

Ostali elementi

• Hlađenje (odnosno „System thermal mamagement”):– Sustav nije 100 % efikasan, dakle generira se toplina (ΔT prirast od ulaza do

izlaza tipično 10 do 20 °C)

– Kruženje ulja u sustavu pruža dobru mogućnost hlađenja (na mnogim izloženim površinama)

– Visoka toplinska inercija sustava (fluid + komponente) dozvoljava značajno povremeno generiranje topline, a bez pregrijavanja – što je vrlo značajna prednost u odnosu na npr. baterije i probleme hlađenja kod HEV-a.

– Hladnjak obično u povratnoj liniji iza motora, s punim ili djelomičnim Q(također s premosnicom za hladni režim, ili s termostatom)

• Ventili, cijevi, crijeva, spojevi– Obično standardni elementi koji se primjenjuju za mobilnu tehniku

Hibridna pneumatska vozila (HPV)

• Jednostavan princip: pohraniti stlačeni zrak tijekom kompresorskog režima rada (kočenje) u spremnik stlačenog zraka, te ga iskoristiti tijekom motorskog rada (ubrzanje, ili obična vožnja)

• Nema potrebe za dodatnim motorom ili baterijama, jedino spremnik stlačenog zraka je nužan

• Ipak, da bi sustav bio efikasan potreban je i neki način upravljanja radom ventila

• Načelno dva pristupa: – na jednom od postojećih ventila se dodaje fleksibilni aktuator

– na glavi motora se projektira s dodavanjem dodatnog otvora i ventila koji je namijenjen isključivo prolazu zraka u i iz spremnika zraka

• Neka istraživanja: Ford, ETH (CH), Uni. D‘Orleans (F), Lund Uni. (S)


Kompresorski režim:

I: usis svježeg zraka

II: komprimiranje zraka i punjenje spremnika zraka

Motorni režim:

I: punjenje cilindra stlačenim zrakom (ekspanzija)

II: pražnjenje cilindra u usisni kolektor

III


Problem: mogućnost kontrole momenta kočenja tijekom kompresorskog režima. Opterećenje ovisi i o tlaku u spremniku.

Isto tako tijekom motornog rada, neki vozni uvjeti dovode do značajnog gubitka energije (npr. pražnjenje zraka pod visokim tlakom u usisni kolektor).

Potrebna je mogućnost upravljanja otvaranja i zatvaranja ventila! (Razni načini)

TRpAm uv

2ψ=&

≤=

>

−

−=

+

cru

d

cru

d

u

d

u

d

rp

pa

rp

pa

p

p

p

p

z484.0

z1

max

12

ψ

κ

κ

ψ

κ

κ

κ

max tlak npr. do 30 bar (i više)


Treći režim rada: pomoć pri punjenju cilindra (supercharge mode)

Smanjivanje ICE (downsizing) ima velik potencijal uštede. Turbopunjač nadoknađuje smanjivanje ICE (vezano za „voznost”, driveability), međutim smanjenje motora i turbobunjači povezani su s problemom kašnjenja turbopunjača (turbo lag, spori odziv pri naglom zahtjevu za ubrzanjem). Uzrok kašnjenja je manjak zraka u cilindru (veći turbopunjač je efikasniji, omogućava veće smanjenja motora, ali veća je i njegova tromost). Rješenje je u pomoći pri punjenju cilindra!

25.5.2017.

9


ETH Zurich (prof. Guzzella)

Treći režim: supercharging

Četvrti režim rada: punjenje tlačnog spremnika (npr. dva cilindra rade u običnom ICE režimu, a dva cilindra rade kao kompresori).

Dodatni el. upravljani ventil


Ušteda energije na nivou HEV, uz znatno manje troškove hibridizacije.


• Ipak, nema primjera komercijalnih HPV

• Zato prototipova vozila (pogotovo motocikala) na komprimirani zrak ima dosta– Indijska Tata najavila (za 2012. ?) malo vozilo na stlačeni zrak s većim dometom

(do 200 km)

• Gledano povijesno, u 19 st. bilo je primjera primjene pogona željeznica odnosno tramvaja na stlačeni zrak (Francuska, GB)

– Problem je bio hlađenje zraka kod ekspanzije (dodatni grijači zraka) te potrošnja (stanica za komprimirani zrak koristila je 4x više ugljena nego adekvatna lokomotiva)

• Patent iz 1909. (J.K.Broderick „Combined IC and compressed air engine”, 4 cil. ICE, 2 rade kao ICE, a 2 kao zračni motor)

• Više patenata tijekom vremena, od 1996. (Moyers pat.) su „moderni” HPV (supercharged režim)

Hibridna mehanička vozila (HMV)

• Pohrana energije u zamašnjaku

• KERS (Kinetic Energy Recovery System), načelno dvije vrste, električni (baterije ili UC) i mehanički (zamašnjak). Napomena: i hidraulički sustav (paralelni) se isto može smatrati meh. KERS-om

• Kinetička energija zamašnjaka:�� = 0.5 ∙ � ∙ ��

• gdje je � = 0.5 ∙ �� ∙ �

• Očito je, pohranjena energija ovisi o masi (sporohodni, LS, do 10.000 o/min) ili (i) o brzini zamašnjaka (brzohodni, HS, do 100.000 o/min)


• Ograničenja su veličina, masa (LS) te problemi naprezanja oboda zamašnjaka (HS) (naprezanje uslijed centrif. sile: �� = � ∙ �� ∙ ��)– Kod HS koriste se kompozitni materijali (f (�))

– Kod HS koriste se elektromagnetski ležaji (zbog trenja), potrebna je posebna regulacija magnetskog polja

– Koristi se vakum (zbog trenja), (ili eventualno helij)


• Model:

25.5.2017.

10


Low-speed FESS High-speed FESS

Energy density 5 – 30 Wh/kg 50 – 130 Wh/kg

(0.15 – 17 kWh/m3)

Power density 1 kW/kg 5 kW/kg

(70 – 100 kW/m3)

Cost per unit power [$/kW]

300 – 400 (5 s discharge time)

2000 (30 min discharge time)

Cost per unit energy [$/kWh]

300 - 700 800 - 25000

up to 125000 for cutting-edge systems


• Primjer vozila: Volvo

HHV – aspekti projektiranja

• Vozilo i vozni ciklus su osnovno polazište

• Dizajn sustava obično je određen analizom graničnih zahtjeva:– Momentom potrebnim za pokretanje vozila (maksimalno opterećenog i na

maksimalno predviđenom nagibu)

– Maksimalnom kontinuiranom brzinom vozila

– Karakteristikama (brzinom) na nagibu pri maksimalnom opterećenju (uključujući i vuču prikolice ako je predviđeno)

• Veličina akumulatora– Veliki akumulator može prihvatiti više energije, ali je glomazniji, teži i skuplji

– Energija kočenja vozila odgovara kinebčkoj energiji (masa x brzina˄2), tako da je nužna analiza ciklusa vožnje za nalaženje prikladne veličine


• Pokretanje vozila– Maksimalni moment pokretanja motora proporcionalan je tlaku i maks.

volumenu

– U serijskoj hibridnoj konfiguraciji često je volumen motora dvostruko veći od volumena pumpe (osim ako nemamo dodatni prijenosnik)

• Maksimalna brzina– Obično pumpe i motori primjenljivi kod hibrida imaju najbolji η za brzine

vrtnje ispod 2000 o/min, dok su max brzine vrtnje 3000 – 4000 o/min

– Pri dugotrajnoj maksimalnoj brzini vožnje, hidr. motor se ne bi trebao vrtiti brže od cca. 2500 o/min radi pregrijavanja. To određuje i krajnji prijenosni omjer.

– U nekim konfiguracijama više motora je spojeno (paralelno) radi zadovoljavanja zahtjeva pokretanja vozila, a na višim brzinama se neki od motora odspajaju.

– Može se koristiti i dodatni mehanički prijenosnik


• Ubrzanje i svladavanje nagiba– Za paralelnu konfiguraciju pohranjena energija može se koristiti za bolje

ubrzanje pa se ICE može smanjiti (downsizing)

– Nema dovoljno pohranjene energije za dugotrajan dodatni moment, stoga ICE veličina (snaga) treba omogućiti (dugotrajnije) svladavanje nagiba ceste

– Za serijsku konfiguraciju pumpa je obično dimenzionirana za 5 % veću snagu od motora (za diesel obično direktni pogon pumpe, za benzinski obično redukcija 2:1)

– Analiza karakteristika pri svladavanju nagiba pri vrućem vremenu diktira hoće li trebati dodatno hlađenje


• NVH* razmatranje

– Klipne pumpe generiraju pulsacije tlaka viših frekvencija – što pobuđuje vibracije i uzrokuje „cviljenje”. Pažljivo projektiranje sustava (cijevi i crijeva, prigušenja) može to smanjiti.

– Fluktuacije (kolebanja) momenta hidromotora pobuđuju trešnje vozila nižih frekvencija (hidromotori imaju niski moment tromosti!). Dinamička analiza pogona je značajna za smanjenje ovih problema.

– Napomena: „Digital displacement” strojevi stvaraju vrlo malu buku (vrlo male pulsacije), ali su lošije od klasičnih klipnih vezano uz fluktuacije momenta.

*NVH – Noise, Vibration, Harshness

25.5.2017.

11


• Start-stop mogućnost– Znatan potencijal uštede goriva (tipično 10 % ili više)

– Pumpa pogonjena ICE može se iskoristiti za njegovo paljenje (u motornom režimu rada, koristeći energiju iz hidroakumulatora)

– Pažnju treba posvetiti:

• Mogućnosti upravljanja ako je ICE ugašen tijekom usporavanja

• Kočenje i sigurnosne margine trebaju biti osigurane

• Klima uređaj mora raditi ako se to zahtjeva

– Pomoćni pogoni mogu biti elektromotorno pogonjeni, ili pogonjeni hidromotorima

– Uz pokretanje motora moment hidromotora se može odmah iskoristiti i za ubrzanje ICE do područja kada daje puni moment.

– U odnosu na elektro-pokretač, hidrauličko pokretanje je brže (bez kašnjenja) i nije zavisno o okolnoj temperaturi

HHV – aspekti upravljanja

• Tri razine upravljanja– Lokalno upravljanje – daje naredbe (inpute) hidrauličkim komponentama

(promjenama volumena pumpi ili motora, ventilima..)

– Nadređeno upravljanje - daje naredbe lokalnom upravljanju kao rezultat zahtjeva vozača i statusa sustava (npr. SoC)

– Treća razina (Supervisory ctr.) – nadgledanje radi zadovoljavanja zahtjeva sigurnosti i nesmetanog rada (reagiranja na pogreške komponenti ili sustava)

HHV – aspekti upravljanja:regenerativno kočenje

• Regenerativno kočenje može biti pokrenuto pedalom kočnice ili pedalom akceleratora (gasa)– Kočenje pedalom akceleratora, kada je ona vrlo malo pritisnuta (akumulator

se puni). „Obično” kočenje aktivira se pedalom kočnice. Nije pogodno za putnička vozila obzirom da korištenje zahtijeva obuku.

– Kočenje pedalom kočnice, punjenje akumulatora (pumpni režim hidromotora) i „obično” kočenje su kombinirani, i to na način da prijelaz režima bude neprimjetan. Proizvođači kočnica za komercijalna vozila nude opcije za hibridna vozila.

• Ako se pojavljuje klizanje kotača tijekom regenerativnog kočenja, hidraulika se isključuje (cca. 0.2 s) i aktivira se „obično” kočenje (eventualno s ABS-om ako je predviđen).

HHV – aspekti upravljanja:regenerativno kočenje

• Napomena: regenerativno kočenje djeluje samo na kotačima pogonjenim hidromotorom/pumpom

• „Miješanje” kočenja („brake blending”): isporučitelji opreme za kočnice u kontrolerima nove generacije specificiraju interfejs za hibride, koji treba omogućiti bolju integraciju cjelokupnog sustava

HHV – aspekti upravljanja:paralelna konfiguracija

USPORAVANJE:

• Hidraulički sustav se uključuje tijekom usporavanja tako da radi u pumpnom režimu i puni akumulator

• Hidr. s. uključuje se obično kada brzina padne ispod one koja odgovara max br. okretaja pumpe (niže brzine, npr. 30 – 40 km/h)

• Isključuje se kada je akumulator pun ili brzina vozila padne ispod neke minimalne (oko 5 km/h)

• Lokalno upravljanje upućuje spojkama (spojki) i ventilima postupanja radi glatkih prijelaza između pojedinih režima

HHV – aspekti upravljanja:paralelna konfiguracija

UBRZANJE:

• Hidraulički sustav se uključuje tijekom ubrzanja tako da radi u motornom režimu, a koristi energiju pohranjenu u akumulatoru

• H.s. isključuje se obično kada brzina prijeđe onu koja odgovara max br. okretaja pumpe, ili se isprazni akumulator (obično se želi isprazniti akumulator)

• Lokalno upravljanje upućuje spojkama (spojki) i ventilima postupanja radi glatkih prijelaza između pojedinih režima

• Nadređeno upravljanje usklađuje naredbu vozača (pedala akceleratora) s naredbom prema ICE radi smanjenja dotoka goriva.

• Detaljna strategija razvija se s ciljem minimiziranja potrošnja goriva a da se pri tom zadrži dobra „voznost” (driveability).

25.5.2017.

12

HHV – aspekti upravljanja:serijska konfiguracija

• Kompleksnije upravljanje od paralelne konfig.

• Vozač zadaje svoje zahtjeve pedalom akceleratora, a hidromotor isporučuje zahtjevani moment pogonskim kotačima:– Tlak sustava je određen stanjem akumulatora (SoC-om) te je moment

obično određen volumenom hidromotora

– Napomena: sustav privremeno može raditi i na većem tlaku ako je potrebno na način da se privremeno izolira akumulator

• Nadređeno upravljanje postavlja zahtjevani tlak i protok dajući naredbe lokalnom upravljanju ICE i pumpe, a pri tom zadržavajući ICE u povoljnom radnom području

• Prilikom usporavanja hidromotor prelazi u pumpni režim i puni akumulator

HHV – aspekti upravljanja:serijska konfiguracija

Park, Reverse, Neutral, Drive, Low

Veze među sustavima upravljanja (nadređenom-HCM i lokalnim)Izvor: Bosch-Rexroth

HHV – aspekti sigurnosti i održavanja

• Sigurnost putnika, ostalih sudionika u prometu ili servisera je imperativ

• Sigurnosne mjere obuhvaćaju intenzivna testiranja, „siguran” softver (validiran), redundanciju određenih sustava, hardverska osiguranja (v.o.t., mgućnost izolacije akumulatora, ugrađeni „osigurači”, npr. temperaturni za akumulator, itd.), procedure održavanja i dijagnostike

• Treba osigurati adekvatnu obuku korisnicima vozila

• Primjena standardnih mjera osiguranja u hidraulici (zbog visokog tlaka, poštivanje procedura vezanih za punjenje i servis akumulatora, itd.)

HHV – PrimjeriSerijska konfiguracija

• Dostavno vozilo, projekt US EPA s partnerima (Eaton, Navistar, UPS, US Army)

• HHV serijske konfiguracije

• Potencijal:– 60 – 70 % ušteda goriva u gradskom ciklusu

– 2 – 3 godine isplativost ulaganja

– Procjena uštede > 50.000 USD tijekom životnog ciklusa (uz gorivo 2.75 USD/gal)


Prvi prototip: tri (?)pumpe/motora u stražnjoj osovini


Drugi prototip: jedna pumpa/motor spregnuta s 4-stupanjskim automatskim prijenosom

25.5.2017.

13


• Slični primjeri:– Dostavno vozilo (Freightliner/Parker/FedEx)

– Vučno vozilo za terminale (Kalmar/Parker/APM Terminals)

– Shuttle Bus (Navistar/IC Bus/Eaton/US Army)

HHV – PrimjeriParalelna konfiguracija

• Vozilo za odvoz smeća, paralelna konfiguracija (samo korištenje regenerativnog kočenja)– Bosch-Rexroth, bazirano na standardnoj pumpa/motor jedinici (cca 200

cm3) te ugrađeno na standardnim vozilima (Mercedes Actros u Berlinu te Crane Carrier u New Yorku, oba diesela cca 350 KS, 15-35 tona)

– Start/stop ciklus, brzina do cca 25 km/h, hidr. s. spojka odspaja na većim brzinama (ili u slučaju kvara te aktiviranja ABS kočenja)

– Tipična veličina akumulatora je 60 L (2 x 32 L)

• Potencijal: – Do 25 % goriva, > 50 % trošenja kočnica

– Jednostavno i pouzdano



• Citroen Air Hybrid, najavljen u Ženevi 2013., u stvari je hidraulički hibrid paralelne konfiguracije



25.5.2017.

14

HHV – Matematički modelModel utjecaja okoline na vozilo*

* Izvor: M.C., D.P. & J.P. „A Control-Oriented Simulation Model of a Power-Split Hybrid Electric Vehicle”, APEN

HHV – Matematički modelMotor s unutarnjim izgaranjem, spojka, guma..*

* Izvor: M.C., D.P. & J.P. „A Control-Oriented Simulation Model of a Power-Split Hybrid Electric Vehicle”, APEN

HHV – Matematički modelPumpa i motor*

Idealni (teoretski) protok Q i moment hidrauličke T jedinice (pumpe ili motora) ovisan je o volumenu D**, brzini vrtnje ω i razlici tlaka Δp:

!� = " ∙ � ∙ #

$!� = " ∙ ∆& ∙ #

gdje je α faktor volumena, tj. omjer aktualnog i maksimalnog volumena D

(za hidrauličke jedinice promjenljivog volumena)

* Izvor: H.H., R.S. & Simon Baseley „Advanced Hybrid Powertrains for Commercial Vehicles”, SAE Int.

** D je volumen po radijanu; veza sa (kataloškim) volumenom po okretaju V je: D=V/2π


Idealni (teoretski) protok Q i moment hidrauličke T jedinice (pumpe ili motora) umanjen je za gubitke, koji se kod hidrauličkih strojeva dijele na volumenske (koji utječu na protok tj. brzinu) i hidrauličko-mehaničke (koji utječu na tlak tj. moment).

* Izvor: H.H., R.S. & Simon Baseley „Advanced Hybrid Powertrains for Commercial Vehicles”, SAE Int.

Volumenski gubici

Volumenski gubici QL mogu se podijeliti na:

vanjske gubitke curenjem Qe

unutarnje gubitke curenjem Qi,

gubitke zbog stišljivosti fluida Qk, ,

gubitke zbog nepotpunog punjenja komora hidrauličkog stroja Qf

Lthef QQQ −=

pK

VV ∆−=∆ 0

VnQk ∆⋅=

* Izvor: J.P. predavanja iz Hidraulike

Volumenski gubici

Ako se razmotri pitanje protoka kroz zazore, protoci su proporcionalni razlici tlaka, visini zazora (na treću potenciju), ili radijusu, ili ekscentricitetu, a obrnuto su proporcionalni viskozitetu. Slično je i kod turbulentnog strujanja (proporcionalno korijenu razlike tlakova, a viskoziteta nema u relaciji). Dakle, protoci ne bi trebali ovisiti o brzini vrtnje strojeva. Ipak, praktična ispitivanja pokazuju određenu zavisnost, vjerojatno zbog utjecaja brzine vrtnje na viskozitet fluida (preko izmjene topline) u određenim režimima, te također zbog nepotpunog punjenja komora pumpe, koje je ovisno o brzini vrtnje te iste pumpe.


25.5.2017.

15

Hidrauličko-mehanički gubici

Gubici momenta mogu se podijeliti na četiri grupe:

ovisni o kvadratu brzine (posljedica trenja uslijed turbulentnog strujanja fluida, te momenta potrebnog za promjenu količine gibanja. Također posljedica su ležaja koji se kotrljaju ispunjeni uljem, te posljedica rotirajućih dijelova pumpi ili motora unutar kućišta ispunjenih uljem (bućkanje) ),

proporcionalni brzini (viskozno trenje) ,

proporcionalni tlaku (uglavnom u ležajima, suho trenje, prop. normalnoj sili),

neovisni o radnim parametrima (npr. prednaprezanja opruga, naprezanja koja djeluju na brtve, i slično. Navedeni gubici konstantni su za neki hidraulički stroj, a pretežno ovise o kvaliteti izradbe stroja. Za kvalitetnije strojeve gotovo su zanemarivi).


Hidrauličko-mehanički gubici


Stupanj korisnog djelovanja

η

max/ pp 10

volη hmη

totη

η

max/ nn 10

volηhmη1 1

totη

Definicije: DIN ISO 4391


Stupanj korisnog djelovanja, primjer jedne AK crpke

* Izvor: J.P. predavanja iz Hidraulike (originalno predavanja prof. Helduser)

Primjer: zupčasta pumpa s vanjskim ozubljenjem, 77 cm3*

Izvor: D. Kučinić „Dimenzioniranje, modeliranje i simulacija servo-pumpe”, Završni rad, FSB, 2016.

Po=kP

i− P

wl

ηtot

=P

o

Pi

=kP

i− P

wl

Pi

ηtot

=P

i− P

l

Pi

Pl(τ,ω)=c2

(ω)τ2+c1

(ω)τ+c0(ω)

Skalabilni model efikasnosti hidrauličke pumpe temeljen na Willansovim linijama*


Volumenski stupanj korisnog djelovanja omjer je efektivnog i teoretskog protoka za pumpu, odnosno motor:

�',) = �* !�

= 1 −+,-" ∙ .

−∆&

/−+,!" ∙ �

�',�0! = !� �*

=1

1 ++,-" ∙ . +

∆&/ +

+,!" ∙ �

Gdje su β volumenski modul elastičnosti fluida, a bezdimenzionalni brojevi su:

. = 1 ∙ �/∆& i � =3∙4

56

�∙∆78

gdje je ρ gustoća, a µ din. viskozitet fluida

* Izvor: H.H., R.S. & Simon Baseley „Advanced Hybrid Powertrains for Commercial Vehicles”, SAE Int. 2012.

laminarno

turbulentno

kompresibilnost

25.5.2017.

16


Hidrauličko-mehanički stupanj korisnog djelovanja omjer je efektivnog i teoretskog momenta za pumpu, odnosno motor:

��,) =$!�$�*

=1

1 ++' ∙ ." +

+*" + +� ∙ "� ∙ �

��,�0! =$�*$!�

= 1 −+' ∙ .

"−+*"− +� ∙ "

� ∙ �

Koeficijenti C se određuju za pojedine pumpe i motore.

* Izvor: H.H., R.S. & Simon Baseley „Advanced Hybrid Powertrains for Commercial Vehicles”, SAE Int. 2012.

meh. trenje

gubici zbog viskozitetahidrodin. gubici

HHV – Matematički modelHHV – Matematički modelAkumulator*

Načelna shema jednog sustava pohrane energije pomoću hidropneumatskog akumulatora te pripadajući model pomoću grafova veza (Bond graphs) je dolje:

* Izvor: J.P. „Modeling of hydro-pneumatic energy storage system”, EUROSIM 2013.

„2-port C” : mehanički i toplinski „port” – predstavlja reverzibilni spremnik energije i pretvorbu rada u toplinu idealnog plina.Uključena je „toplinska vremenska konstanta”, tj. efekt gubitka energije zbog toplinskog toka.

„2-port R” : disipativno polje –predstavlja ireverzibilno provođenje topline kroz stijenku akumulatora s odgovarajućom entropijom (vanjska temp. je Tw)


Izbor varijabli stanja iz prethodnog modela nije jedinstven (može biti tlak p, volumen V, temperatura T, entropija S, unutarnja energija U).

Prijedlog je volumen V i temperatura T plina:

9: = − ;<< (1)

=>

=!= $?: − p9: (2)

$?: = A<BC $C − $ (3)**

Prijelaz topline između plina i okoline


** Može se dodati i prijelaz topline između plina i ulja (temp. ulja sporo se mijenja):

hc – koef. provođenja topline (hcp – kpt klipa)


Također vrijedi:=>

=!= mF'

=G

=!(4)

cv je spec. toplina plina (718 J/kgK), a m je masa plina

Uvrštavajući (4) i (3) u (2) slijedi:

�F'$: = −A<BC$ + A<BC$C − &9: (5)



Može se uvesti toplinska vremenska konstanta**

H =�F'A<BC

i njenim uvrštavanjem u (5) slijedi:

H$: + $ = $C −I

�JKL&9: (6)


** Prema radu: Pourmovahed & Otis, ASME Journal of Dynamic Systems, Measurements and Control, Vol. 106, 1984.


Toplinska vremenska konstanta** nije „prava” konstanta (površina stijenke Aw i koef. provođenja topline hc se mijenjaju), ali u praksi to nije značajno. Iznos vremenske konstante za akumulatore s klipom iznosi***:

H = HM293

$QGdje je Ti početna temperatura ([K]), a τ0 se računa prema izrazu:

HM = 0.3&M9MM.�� + 86.29M

M.TU

Gdje su p0 i V0 početni tlak i volumen plina (pri 20°C).


** Prema radu: Pourmovahed & Otis, ASME Journal of Dynamic Systems, Measurements and Control, Vol. 106, 1984.

*** Prema radu: S. Lemofouet: “Investigation and Optimisation of Hybrid Electricity Storage Systems Based on Compressed Air

and Supercapacitors”, PhD thesis, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, 2006

25.5.2017.

17


Upute i koeficijente za to vidjeti u ** ili *.

Koristeći jedn. stanja plina može se izračunati tlak (p = mRT/V) i uvrstiti u jedn. (6), pa se dobiva jedna jednadžba stanja. Druga je iz jedn. (1):

9: = − ;<<

Zbog bolje preciznosti modela može se koristiti i Benedict-Webb- Rubinova (B-W-R) jedn. stanja plina:


$: = −1

H$

1

H$C

�V

A<BC

$

9 ;<<

** H.W. Cooper and J.C. Goldfrank, “B-W-R constants and new correlations”, Hydrocarbon Processing, Vol. 46, No. 12, 1967,


U matematički model može se uključiti i kapacitivnost ulja ( ), no pretpostavka je da je kapacitivnost plina dosta veća, pa se onda kap. ulja može i zanemariti. Također može se uključiti i gubitak tlaka (ploss) u akumulatoru uslijed trenja klipa ( , gdje je FL omjer gubitaka trenjem akumulatora po ciklusu, obično iznosi 0,02 ili 2%).Dodajući još mehaničku domenu iz veznog grafa, može se napisati treća jednadžba stanja:

�:)� =I

�7WXH�Y − H)� − HZ)�[

\ (7)



Kapacitet akumulatora (Vi) može se izračunati iz energije potrebne za komprimiranje plina (Jouleov ciklus)**:

]̂ < =κ

κ − 1&Q9Q +V

``aI − 1

Gdje je κ eksponent adijabatske promjene (1,4 za N2), pi početni tlak, Vi početni volumen plina, a CR omjer maksimalnog (zadanog max. radnim tlakom opreme) i početnog tlaka plina (optimalni CR ≈ 2.5 za adijabatski ciklus, vidjeti **).

Konačni volumen plina se može izračunati iz:

9*9Q=

1

+V

I`

Pa je Vacc_max =Vi – Vf , a SoC se računa(i jeftino mjeri) kao: ?b+ =)a)c

)Wdea)c


** Prema radu: S. Lemofouet: “Investigation and Optimisation of Hybrid Electricity Storage Systems Based on Compressed Air

and Supercapacitors”, PhD thesis, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, 2006

HHV – Simulacije matematičkog modelaHHV – Simulacije matematičkog modelaAkumulator*

Simulacijski model (bez mehaničkog dijela iz jedn. (7)) dana je Simulink shemama:



Simulacijski model (bez mehaničkog dijela iz jedn. (7)) dana je Simulink shemama:



I rezultati simulacija su:


0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-300

-200

-100

0

100

200

t [s]

P [

kW

]

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500100

200

300

400

t [s]

p [

bar]

25.5.2017.

18




0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-50

0

50

100

150

t [s]

T [

°C]

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-1000

-500

0

500

t [s]

Qac

c [

l/m

in]




0 100 200 300 400 500 600 700 800 900-50

0

50

100

150

t [s]

T [

°C]

adiabatic

isothermal

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900100

200

300

400

t [s]

p [

ba

r]

adiabatic

isothermal

HHV – Power Managment strategija* HHV – Power Managment strategija*

Specifičnosti HHV nameću posebna rješenja vođenja, a ne preslikavanje rješenja sa HEV.

Npr. veliki akumulator osigurava veći kapacitet regeneracije i duže ubrzanje, ali je prosječan tlak tijekom ciklusa manji, što ima posljedice na η i performanse.

Uglavnom, inicijalno dimenzioniranje temelji se na zahtjevima i ograničenjima, međutim to ne uključuje međudjelovanja sustava i promjenljivost η. Potpuno iskorištavanje potencijala hibridnog vozila traži optimiranje varijabli pogona te projektiranje nadređenog upravljanja koje će upravljati korištenjem različitih izvora energije ovisno o vozilu i voznom ciklusu.

*Izvor: H.H., R.S. & Simon Baseley „Advanced Hybrid Powertrains for Commercial Vehicles”, SAE Int., 2012.,također i Z. Filipi „Hydraulic and pneumatic hybrid powertrains for improved fuel economy in vehicles”


Nadređeno vođenje

1. Određuje snagu motora baziranu na SoC akumulatora. Treba zadovoljiti zahtjeve vozača bez obzira na uvjete (uključujući ubrzanje ili uspon), i zadražavajući SoC na potrebnom nivou (dovoljno prazan za dodatno punjenje i dovoljno pun za nagle zahtjeve za ubrzanjem).

2. Za bilo koji nivo snage motora, aktualna radna točka motora SUI (brzina/opterećenje) treba biti određena tako da je specifična potrošnja goriva minimalna.

Obično se u praksi radna točka SUI motora određuje na temelju ciljanog momenta, a brzina se podešava pomoću podešavanja volumena sklopa pumpa-motor



Kada se izjednače energija dobijena kočenjem (kin.en. – gubici) i energija koja se može pohraniti u akumulatoru, dobije se željena linija tlaka u akumulatoru (na slici) koja bi trebala biti održavana za bilo koju brzinu hidromotora ili vozila. Snaga SUI se bira da se održi željena linija tlaka (nap.: linija tlaka nije konstantna uslijed gubitaka).

Volumen motora proporcionalan je pedali (gasa), osim npr. na usponima.

*Izvor: H.H., R.S. & Simon Baseley „Advanced Hybrid Powertrains for Commercial Vehicles”, SAE Int., 2012.,


Tradicionalno RB upravljanje s tzv. termostatskim SoC algoritmom upravljanja:

*Izvor: Z. Filipi „Hydraulic and pneumatic hybrid powertrains for improved fuel economy in vehicles”

SUI = max. (hidrostatski režim)

SUI = 0

Za SUI upravljanje obuhvaća par moment-brzina za zahtijevanu snagu (koja dolazi od nadređenog upravljanja). Uobičajeno se definira linija od točaka koje predstavljaju najbolji η i koristi se fleksibilnost hibridnog pogona da se zadrži rad SUI na toj liniji.

Na prvi pogled nadređena strategija trebala bi zadržavati SUI unutar „sweet-spota”. Ipak tu nedostaju elementi promatranja sustava u cjelini!

25.5.2017.

19

HHV – Simulacija* HHV – Simulacija*


Documents

HHV predavanje - titan.fsb.hrtitan.fsb.hr/~jpetric/Predavanja/El i Hi vozila_HHV.pdf · Aksijalno klipne pumpe i motori • Sa zaokrenutom pločom – Svestrana, trajna i ekonomična,