Letošní autosalon ve Frankfurtu nad Mohanem potvrdil trend, který nastal v automobilovém průmyslu už před několika lety a kterému se s určitým zpožděním za Japonskem a USA přizpůsobují i evropští výrobci.
Hybridní pohonné systémy aut - modulární přístup
Jde o orientaci na výrobu automobilů s hybridním pohonem, tj. s kombinací pohonu spalovacími motory s pohonem elektromotory.
I ty nejopatrnější prognózy světového obchodu s automobily předpokládají, že do roku 2010 stoupne objem obchodu s vozy s hybridním pohonem na 700 tisíc jednotek. Odvážnější prognózy počítají koncem tohoto desetiletí dokonce s tím, že se ročně bude vyrábět 1,1 milionu takových automobilů. Problematika dvojího pohonu, tj. spalovacími a elektrickými motory, je rozpracovávána z různých hledisek, a přitom se berou v úvahu i jiné progresivní koncepce nalézající uplatnění v automobilovém průmyslu a ve strojírenství vůbec. Jednou z nich je modulární koncepce hybridního pohonu, kterou formulovali odborníci ve firmě Siemens VDO Automotive AG. Životnost koncepce už byla prokázána na předváděcích vozidlech.
Siemens VDO přitom vyšel jak z vlastních zkušeností a výsledků vývoje, tak i z poznatků jiných firem, tedy z určitého základu, sice donedávna nepříliš rozsáhlého, který nicméně už mohl poskytnout řadu zobecněných poznatků o pohonných ústrojích automobilů. Paradoxem přitom je, že dosud neexistuje standardizovaná definice hybridního pohonu. Problematika je nahlížena z pohledu různých potřeb a požadavků a také možností jednotlivých výrobců i uživatelů vozů. Jde tu např. o otázku spotřeby paliva, dimenzí motoru, jízdní dynamiky, zajištění dostatečného přívodu elektřiny k aktivizaci funkcí pohonu, o otázku emisí výfukových plynů atd., takže přístupy k hybridnímu pohonu mohou být, a také jsou, různé. Modulární přístup je jeden z nich.
Specifikou hybridního pohonu je komplex problémů souvisejících s řešením elektrického zdroje, jeho dostatečné kapacity a funkčnosti a propojení s ostatními částmi pohonného ústrojí, resp. automobilu jako takového. Jde přitom samozřejmě i o to, aby se dosahovalo příznivého poměru mezi náklady a výsledkem - poddimenzování elektrosystému je stejně nevýhodné jako jeho předimenzování. Určitá hladina nákladů je předem určena jako cílová stejně jako určité funkční parametry. Modulární přístup byl samozřejmě uplatněn spolu s aplikací simulačních nástrojů, pomocí nichž bylo možné předpovědět chování pohonného systému v různých situacích.
V Siemensu VDO Automotive byl vývoj hybridního pohonu řešen třemi směry, které se lišily tím, do jaké míry je v tom kterém vyvíjeném pohonu zastoupena spalovací a elektrická frakce.
MICRO-HYBRID
Zde šlo o řešení založené na elektrickém motoru s typickým výkonem cca 4 kW při napětí 14 V, přičemž je místo konvenčního generátoru použit řemenový pohon. Pro ten se hodí především asynchronní stroje, jež umožňují dodatečné funkce. U mikro-hybridů je možný provoz v režimu "stop - start", tedy rychlé znovunastartování spalovacího motoru do 300 milisekund a s počtem otáček až 600 za minutu při startování. Dále se tu produkuje pomocí generátoru dodatečná energie se zvýšeným systémovým účinkem až do 85%. V předváděcím vozidle firmy byly dále implementovány dodatečné funkce jako nastartování zastudena, rychlý start a bateriový režim (management). Zkušenosti s vozidlem při provozu v režimu stop - start vykázaly úsporu pohonných hmot v rozsahu 5 %. Skutečnost, že je k dispozici dostatek elektřiny, ji umožňuje využívat i pro jiné cíle, např. k elektrifikaci hydraulicky poháněných subsystémů ve voze.
MILD-HYBRID
Na tomto způsobu hybridního pohonu se ve VDO Automotive pracovalo už dříve. Už v roce 2002 byl vůz s tímto pohonem vyvinut až do té míry, že by mohl jít do sériové výroby (tzv. C-Muster). A už tehdy se zjistilo, že se díky němu dosahuje významné podpory točivého momentu spalovacího motoru (tzv. boost) a zpětného získávání energie (rekuperace) při brzdění. Systémový účinek generátoru je 88 % čili o něco vyšší než u mikro-hybridu. Otáčky spalovacího motoru lze urychlit. Dodatečný elektrický výkon je až 15 kW a lze jej dosáhnout při napětí 60 V. Takové řešení vyžaduje použití kompaktního elektrického stroje - typické je použití klikového hřídele. V předváděcím vozidle byly kromě toho zabudovány funkce startování za studena do 800 milisekund, rychlého startu do 300 ms a řízení trakčního akumulátoru. Úspora pohonných hmot se pohybovala v rozmezí 15 až 18 %.
VOLL-HYBRID (ÚPLNÝ HYBRID)
Toto řešení zasahuje nejen do pohonného ústrojí, nýbrž do celého vozu, protože je zde zapotřebí druhý spojkový systém. Vyžaduje také větší elektrický výkon, což v případě pohonu na všechna čtyři kola znamená, že proud se musí vyrábět případně ve dvou elektromotorech, a že je zapotřebí trakční baterie s příslušnou kapacitou. K dosahování vyšších výkonů je zapotřebí podstatně vyšší napětí. Dnešní palubní síť s napětím 14 V může být doplněna o trakční síť (též: meziokruh). Mezi oběma sítěmi zprostředkovává spojení měnič DC/DC.
Jakého napětí v elektrickém okruhu hybridního pohonu je zapotřebí? To závisí na funkcích, jež má pohon splňovat. Od napětí 60 V výše jsou v hybridní síti z bezpečnostních důvodů nutná ochranná opatření, např. izolace a kontrolní mechanismy (snímače).
Pro úplnost lze dodat, že modelu C-Muster předcházely A-Muster a B-Muster, které se vyvíjely už od roku 1998, i když jejich vývoj nedospěl tak daleko jako v případě "céčka", a jeho výsledky byly ověřeny v omezeném měřítku. Výkony se pohybovaly od 105 Nm (při 10 tisících otáček za minutu) do otáčivého momentu 2x 200 Nm při provozním napětí od 114 do 450 V. Šlo přitom také o vozidla poháněná palivovými články.
Ve většině těchto případů se spolu s pohony vyvíjel i řídicí software.V současné době disponuje Siemens VDO předváděcími vozidly postavenými podle koncepce micro-hybrid a mild-hybrid. Předváděcí vozidlo podle koncepce voll-hybrid, s elektrickým výkonem cca 75 kW, postavené samozřejmě modulárním způsobem, bude k dispozici v roce 2006.
V případě micro-hybridu a mild-hybridu bylo konstatováno, že poměr nákladů vůči výslednému užitku je příznivý. V případě vollhybridu hrají roli poměrně vysoké náklady na elektřinu, takže o nasazování vozů s takovýmto způsobem pohonu bude zřejmě nutno rozhodovat podle situace a potřeby, případ od případu. Vcelku však výsledky, jichž se v Siemensu VDO dosáhlo, dokazují, kromě obecně příznivého poměru ukazatele náklady : užitek, že vozy s hybridním pohonem vypouštějí podstatně méně škodlivých zplodin, mají nižší spotřebu paliva a mají vyšší dynamiku jízdy než vozy s poháněné spalovacími motory.
MODULÁRNÍ "STAVEBNICE"
Kromě strojních a elektrických komponent zahrnuje modulární koncepce hybridního pohonu také software a hardware. Vcelku jde o zařízení zajišťující tyto funkce:
- Integrace pohonného ústrojí (IPM - Integrated Powertrain Management)
- Algoritmy ve vztahu k elektrickému pohonu
- Elektrické stroje jako fyzikální prvky ve vztahu k otáčivému momentu, výroba proudu
- Elektronika ve formě různých typů řídicích přístrojů
- Zásobníky energie.
NADŘAZENÁ ŘÍDICÍ ROVINA
Jak elektrický pohon, tak pohon spalovacím motorem musejí být řízeny z nadřazené, koordinující řídicí hladiny. Jde o zmíněný IPM - modulární softwarové řešení založené na otevřené systémové architektuře.
IPM v sobě integruje jednotlivé funkční řídicí moduly pohonného ústrojí a poskytuje algoritmy pro specifické funkce hybridního pohonu. Sem patří např. provoz v režimu stop - start, řízení přeměny kinetické energie v elektřinu při tzv. regenerativním brzdění (kdy dochází k rekuperaci energie) anebo řízení podpory elektrického otáčivého momentu. Software IPM je jednotná platforma pro rozdílné třídy napětí a výkonu. Jeho funkční architektura je rozčleněna hierarchicky do tří vrstev: rámcové podmínky, dozor nad pohonným ústrojím a nastavení žádoucího otáčivého momentu.
ELEKTRICKÉ STROJE (MOTORY)
Jako fyzikální prvky elektrického pohonu v hybridním systému slouží převážně trojfázové motory buď s řemenovým pohonem (obvykle s výkonem 2 až 4 kW) anebo namontované přímo na klikový hřídel (s výkonem do 75 kW). Dosud se používají asynchronní motory (ASM, indukční motory), u nichž rotory obíhají asynchronně s otočným polem statoru Siemens vyvíjí paralelně s tím nové permanentně nabuzované (buzené) synchronní motory (PSM), jež skýtají dodatečné výhody, pokud jde o stupeň účinnosti ve spodním pásmu otáček (menší výkon baterií při startování). PSM mají ve srovnání s ASM určité přednosti, pokud jde o rozměry, hmotnost a přípustnou šířku vzduchové mezery. Tyto elektrické stroje ovšem vyžadují vysokoteplotní magnetické materiály odolávající teplotám do 200°C, aby se zamezilo nechtěnému odmagnetizování.
ELEKTRONIKA
Hybridní koncepce vyžaduje nové škálovatelné řídicí jednotky (ECU - Electronic Control Unit), jež dokážou odvádět podstatně více tepla, umožňují vyšší hustotu výkonu a díky tomu mohou být menší než dřívější jednotky, a to i při vyšším elektrickém výkonu. Při jízdě se intenzita proudu musí kontinuálně udržovat na cca 200 A, což znamená, že je zapotřebí udržovat poměrně vysoké napětí. Tzv. toolbox obsahuje nové generické řídicí platiny (destičky) 32-bit-ECU-06 a nové generické výkonné elektronické prvky v oboru technologie leadframe, které takovýmto požadavkům vyhovují. Oba elektronické subsystémy jsou uloženy ve společném krytu.
V současných hybridních vozidlech se používají převážně akumulátory NiMH, protože mají vysokou cyklovou pevnost a vysokou hustotu výkonu. Jako alternativní energetické zdroje pro krátkodobé špičkové výkony, jichž je někdy zapotřebí, se hodí dvouvrstvé kondenzátory.
TŘÍSTUPŇOVÁ DEFINICE A SIMULAČNÍ NÁSTROJE
Siemens pracuje s třístupňovým definičním procesem, v němž jsou cíle, jichž má vozidlo dosahovat, definovány jako horní vrstva. Ta zahrnuje mj. i simulační nástroje, protože s jejich pomocí se dají předvídat účinky hybridních koncepcí v různých situacích.
Prostřední definiční stupeň či vrstva se zabývá různými strategiemi pohonů, a i zde je zahrnuta simulace. Spodní definiční stupeň, s nejnižší s úrovní abstrakce, se zabývá elektrickými parametry.
S těmito nástroji v souboru se sestavují různé scénáře vývoje vozů, pohonů a součástí. Postupuje se přitom způsobem shora dolů (top down), aby se řešení postupně dostávalo na hladinu podrobností, ale přitom se neztrácel celek a nadřazený smysl a cíl, a aby neustupovaly do pozadí kauzální souvztažnosti.
I ty nejopatrnější prognózy světového obchodu s automobily předpokládají, že do roku 2010 stoupne objem obchodu s vozy s hybridním pohonem na 700 tisíc jednotek. Odvážnější prognózy počítají koncem tohoto desetiletí dokonce s tím, že se ročně bude vyrábět 1,1 milionu takových automobilů. Problematika dvojího pohonu, tj. spalovacími a elektrickými motory, je rozpracovávána z různých hledisek, a přitom se berou v úvahu i jiné progresivní koncepce nalézající uplatnění v automobilovém průmyslu a ve strojírenství vůbec. Jednou z nich je modulární koncepce hybridního pohonu, kterou formulovali odborníci ve firmě Siemens VDO Automotive AG. Životnost koncepce už byla prokázána na předváděcích vozidlech.
Siemens VDO přitom vyšel jak z vlastních zkušeností a výsledků vývoje, tak i z poznatků jiných firem, tedy z určitého základu, sice donedávna nepříliš rozsáhlého, který nicméně už mohl poskytnout řadu zobecněných poznatků o pohonných ústrojích automobilů. Paradoxem přitom je, že dosud neexistuje standardizovaná definice hybridního pohonu. Problematika je nahlížena z pohledu různých potřeb a požadavků a také možností jednotlivých výrobců i uživatelů vozů. Jde tu např. o otázku spotřeby paliva, dimenzí motoru, jízdní dynamiky, zajištění dostatečného přívodu elektřiny k aktivizaci funkcí pohonu, o otázku emisí výfukových plynů atd., takže přístupy k hybridnímu pohonu mohou být, a také jsou, různé. Modulární přístup je jeden z nich.
Specifikou hybridního pohonu je komplex problémů souvisejících s řešením elektrického zdroje, jeho dostatečné kapacity a funkčnosti a propojení s ostatními částmi pohonného ústrojí, resp. automobilu jako takového. Jde přitom samozřejmě i o to, aby se dosahovalo příznivého poměru mezi náklady a výsledkem - poddimenzování elektrosystému je stejně nevýhodné jako jeho předimenzování. Určitá hladina nákladů je předem určena jako cílová stejně jako určité funkční parametry. Modulární přístup byl samozřejmě uplatněn spolu s aplikací simulačních nástrojů, pomocí nichž bylo možné předpovědět chování pohonného systému v různých situacích.
V Siemensu VDO Automotive byl vývoj hybridního pohonu řešen třemi směry, které se lišily tím, do jaké míry je v tom kterém vyvíjeném pohonu zastoupena spalovací a elektrická frakce.
MICRO-HYBRID
Zde šlo o řešení založené na elektrickém motoru s typickým výkonem cca 4 kW při napětí 14 V, přičemž je místo konvenčního generátoru použit řemenový pohon. Pro ten se hodí především asynchronní stroje, jež umožňují dodatečné funkce. U mikro-hybridů je možný provoz v režimu "stop - start", tedy rychlé znovunastartování spalovacího motoru do 300 milisekund a s počtem otáček až 600 za minutu při startování. Dále se tu produkuje pomocí generátoru dodatečná energie se zvýšeným systémovým účinkem až do 85%. V předváděcím vozidle firmy byly dále implementovány dodatečné funkce jako nastartování zastudena, rychlý start a bateriový režim (management). Zkušenosti s vozidlem při provozu v režimu stop - start vykázaly úsporu pohonných hmot v rozsahu 5 %. Skutečnost, že je k dispozici dostatek elektřiny, ji umožňuje využívat i pro jiné cíle, např. k elektrifikaci hydraulicky poháněných subsystémů ve voze.
MILD-HYBRID
Na tomto způsobu hybridního pohonu se ve VDO Automotive pracovalo už dříve. Už v roce 2002 byl vůz s tímto pohonem vyvinut až do té míry, že by mohl jít do sériové výroby (tzv. C-Muster). A už tehdy se zjistilo, že se díky němu dosahuje významné podpory točivého momentu spalovacího motoru (tzv. boost) a zpětného získávání energie (rekuperace) při brzdění. Systémový účinek generátoru je 88 % čili o něco vyšší než u mikro-hybridu. Otáčky spalovacího motoru lze urychlit. Dodatečný elektrický výkon je až 15 kW a lze jej dosáhnout při napětí 60 V. Takové řešení vyžaduje použití kompaktního elektrického stroje - typické je použití klikového hřídele. V předváděcím vozidle byly kromě toho zabudovány funkce startování za studena do 800 milisekund, rychlého startu do 300 ms a řízení trakčního akumulátoru. Úspora pohonných hmot se pohybovala v rozmezí 15 až 18 %.
VOLL-HYBRID (ÚPLNÝ HYBRID)
Toto řešení zasahuje nejen do pohonného ústrojí, nýbrž do celého vozu, protože je zde zapotřebí druhý spojkový systém. Vyžaduje také větší elektrický výkon, což v případě pohonu na všechna čtyři kola znamená, že proud se musí vyrábět případně ve dvou elektromotorech, a že je zapotřebí trakční baterie s příslušnou kapacitou. K dosahování vyšších výkonů je zapotřebí podstatně vyšší napětí. Dnešní palubní síť s napětím 14 V může být doplněna o trakční síť (též: meziokruh). Mezi oběma sítěmi zprostředkovává spojení měnič DC/DC.
Jakého napětí v elektrickém okruhu hybridního pohonu je zapotřebí? To závisí na funkcích, jež má pohon splňovat. Od napětí 60 V výše jsou v hybridní síti z bezpečnostních důvodů nutná ochranná opatření, např. izolace a kontrolní mechanismy (snímače).
Pro úplnost lze dodat, že modelu C-Muster předcházely A-Muster a B-Muster, které se vyvíjely už od roku 1998, i když jejich vývoj nedospěl tak daleko jako v případě "céčka", a jeho výsledky byly ověřeny v omezeném měřítku. Výkony se pohybovaly od 105 Nm (při 10 tisících otáček za minutu) do otáčivého momentu 2x 200 Nm při provozním napětí od 114 do 450 V. Šlo přitom také o vozidla poháněná palivovými články.
Ve většině těchto případů se spolu s pohony vyvíjel i řídicí software.V současné době disponuje Siemens VDO předváděcími vozidly postavenými podle koncepce micro-hybrid a mild-hybrid. Předváděcí vozidlo podle koncepce voll-hybrid, s elektrickým výkonem cca 75 kW, postavené samozřejmě modulárním způsobem, bude k dispozici v roce 2006.
V případě micro-hybridu a mild-hybridu bylo konstatováno, že poměr nákladů vůči výslednému užitku je příznivý. V případě vollhybridu hrají roli poměrně vysoké náklady na elektřinu, takže o nasazování vozů s takovýmto způsobem pohonu bude zřejmě nutno rozhodovat podle situace a potřeby, případ od případu. Vcelku však výsledky, jichž se v Siemensu VDO dosáhlo, dokazují, kromě obecně příznivého poměru ukazatele náklady : užitek, že vozy s hybridním pohonem vypouštějí podstatně méně škodlivých zplodin, mají nižší spotřebu paliva a mají vyšší dynamiku jízdy než vozy s poháněné spalovacími motory.
MODULÁRNÍ "STAVEBNICE"
Kromě strojních a elektrických komponent zahrnuje modulární koncepce hybridního pohonu také software a hardware. Vcelku jde o zařízení zajišťující tyto funkce:
- Integrace pohonného ústrojí (IPM - Integrated Powertrain Management)
- Algoritmy ve vztahu k elektrickému pohonu
- Elektrické stroje jako fyzikální prvky ve vztahu k otáčivému momentu, výroba proudu
- Elektronika ve formě různých typů řídicích přístrojů
- Zásobníky energie.
NADŘAZENÁ ŘÍDICÍ ROVINA
Jak elektrický pohon, tak pohon spalovacím motorem musejí být řízeny z nadřazené, koordinující řídicí hladiny. Jde o zmíněný IPM - modulární softwarové řešení založené na otevřené systémové architektuře.
IPM v sobě integruje jednotlivé funkční řídicí moduly pohonného ústrojí a poskytuje algoritmy pro specifické funkce hybridního pohonu. Sem patří např. provoz v režimu stop - start, řízení přeměny kinetické energie v elektřinu při tzv. regenerativním brzdění (kdy dochází k rekuperaci energie) anebo řízení podpory elektrického otáčivého momentu. Software IPM je jednotná platforma pro rozdílné třídy napětí a výkonu. Jeho funkční architektura je rozčleněna hierarchicky do tří vrstev: rámcové podmínky, dozor nad pohonným ústrojím a nastavení žádoucího otáčivého momentu.
ELEKTRICKÉ STROJE (MOTORY)
Jako fyzikální prvky elektrického pohonu v hybridním systému slouží převážně trojfázové motory buď s řemenovým pohonem (obvykle s výkonem 2 až 4 kW) anebo namontované přímo na klikový hřídel (s výkonem do 75 kW). Dosud se používají asynchronní motory (ASM, indukční motory), u nichž rotory obíhají asynchronně s otočným polem statoru Siemens vyvíjí paralelně s tím nové permanentně nabuzované (buzené) synchronní motory (PSM), jež skýtají dodatečné výhody, pokud jde o stupeň účinnosti ve spodním pásmu otáček (menší výkon baterií při startování). PSM mají ve srovnání s ASM určité přednosti, pokud jde o rozměry, hmotnost a přípustnou šířku vzduchové mezery. Tyto elektrické stroje ovšem vyžadují vysokoteplotní magnetické materiály odolávající teplotám do 200°C, aby se zamezilo nechtěnému odmagnetizování.
ELEKTRONIKA
Hybridní koncepce vyžaduje nové škálovatelné řídicí jednotky (ECU - Electronic Control Unit), jež dokážou odvádět podstatně více tepla, umožňují vyšší hustotu výkonu a díky tomu mohou být menší než dřívější jednotky, a to i při vyšším elektrickém výkonu. Při jízdě se intenzita proudu musí kontinuálně udržovat na cca 200 A, což znamená, že je zapotřebí udržovat poměrně vysoké napětí. Tzv. toolbox obsahuje nové generické řídicí platiny (destičky) 32-bit-ECU-06 a nové generické výkonné elektronické prvky v oboru technologie leadframe, které takovýmto požadavkům vyhovují. Oba elektronické subsystémy jsou uloženy ve společném krytu.
V současných hybridních vozidlech se používají převážně akumulátory NiMH, protože mají vysokou cyklovou pevnost a vysokou hustotu výkonu. Jako alternativní energetické zdroje pro krátkodobé špičkové výkony, jichž je někdy zapotřebí, se hodí dvouvrstvé kondenzátory.
TŘÍSTUPŇOVÁ DEFINICE A SIMULAČNÍ NÁSTROJE
Siemens pracuje s třístupňovým definičním procesem, v němž jsou cíle, jichž má vozidlo dosahovat, definovány jako horní vrstva. Ta zahrnuje mj. i simulační nástroje, protože s jejich pomocí se dají předvídat účinky hybridních koncepcí v různých situacích.
Prostřední definiční stupeň či vrstva se zabývá různými strategiemi pohonů, a i zde je zahrnuta simulace. Spodní definiční stupeň, s nejnižší s úrovní abstrakce, se zabývá elektrickými parametry.
S těmito nástroji v souboru se sestavují různé scénáře vývoje vozů, pohonů a součástí. Postupuje se přitom způsobem shora dolů (top down), aby se řešení postupně dostávalo na hladinu podrobností, ale přitom se neztrácel celek a nadřazený smysl a cíl, a aby neustupovaly do pozadí kauzální souvztažnosti.
Zdroj:Technik
Sdílet článek na sociálních sítích
