Aktuální vydání

celé číslo

08

2022

MSV 2022

Projektování, konstruování a programování automatizačních a řídicích systémů

celé číslo

Model v LabVIEW stanovuje spotřebu hybridního vozidla s palivovým článkem

Při vývoji vozidel je třeba již v první fázi správně posoudit vlastnosti jejich pohonných řetězců. K tomu se používají zjednodušené matematické modely, které na rozdíl od časově a výpočetně náročných detailních simulačních nástrojů umožňují rychle získat velmi realistické odhady s omezeným množstvím vstupů (dostupných v dané fázi vývoje). Ve Výzkumném centru spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka na Fakultě strojní ČVUT v Praze byl vyvinut softwarový nástroj pro rychlé stanovení jízdní spotřeby vozidla v libovolném jízdním cyklu umožňující porovnávat různé konfigurace pohonného uspořádání. Nástroj, který byl vyvinut ve vývojovém prostředí LabVIEW společnosti National Instruments, je schopen simulovat účinnost pohonného řetězce vozidla se spalovacími motory na fosilní i obnovitelná paliva, ale také pohonné řetězce s vodíkovým palivovým článkem PEM (Proton Exchange Membrane). Jakákoliv z těchto pohonných jednotek může být simulována i v hybridním uspořádání s možností rekuperace při brzdění vozidla. V článku je představen nástroj pro simulaci vozidla s vodíkovým palivovým článkem v hybridním uspořádání.
 

Hybridní vozidlo s palivovým článkem PEM

 
Funkce hybridního vozidla s palivovým článkem PEM znázorňuje schéma na obr. 1. Vozidlo je poháněno trakčním elektromotorem, který čerpá elektrickou energii jak z palivového článku, tak z pohonných akumulátorů, popř. z ultrakapacitoru. Pohonné akumulátory a ultrakapacitor podporují v určitých jízdních režimech činnost palivového článku (snižují spotřebu vodíku) a při tom se vybíjejí. Dobíjeny mohou být při brzdění vozidla, kdy trakční elektromotor pracuje jako generátor, nebo v případě potřeby také energií čerpanou z palivového článku. Stejnosměrný proud z palivového článku a pohonných baterií je usměrněn a převeden na proud střídavý, kterým je poháněn střídavý synchronní trakční elektromotor s permanentními magnety.
 

Palivový článek PEM

 
Základní princip palivového článku PEM je velmi jednoduchý. Reaguje v něm vodík a kyslík za vzniku vody a elektrické energie. Palivový článek PEM je tvořen anodou a katodou, které jsou odděleny polopropustnou membránou. Vodík je přiváděn na anodu palivového článku, kde se jeho atomy rozdělí na elektrony a protony. Zatímco protony mohou přes polopropustnou membránu pokračovat ke katodě, kde reagují s přiváděným kyslíkem (nejčastěji ze vzduchu), elektrony jsou nuceny putovat ke katodě vnějším obvodem (obr. 2). Právě pohybem elektronů je z palivového článku získávána elektrická energie využitelná např. k pohonu elektromotoru. Z jediného palivového článku lze získat napětí přibližně 0,7 V. Pro pohon trakčního elektromotoru v automobilu je nutné spojit několik článků do tzv. stacku. Počet článků je volen podle požadovaného výkonu palivového článku. Ke zvýšení měrného výkonu je nutné článek přeplňovat kompresorem (podobně jako spalovací motor).
 
Jednou z mnoha komplikací tohoto pohonu jsou objemné a těžké nádrže na stlačený vodík. Je zřejmé, že hybridní vozidlo s palivovým článkem je velmi komplikovaný a nákladný systém. Proto je téměř nevyhnutelné použít k jeho vývoji simulační nástroj.
 

Simulační nástroj v prostředí LabVIEW

 
Softwarový simulační nástroj pro určení jízdní spotřeby popsaného vozidla je i přes určitá zjednodušení velmi komplexní. Proto byl při jeho vývoji kladen důraz zejména na transparentnost a modularitu. Jako programátorské prostředí byl využit systém LabVIEW 8.6 společnosti National Instruments, který umožňuje programovat v grafickém režimu a je vhodný pro dynamické simulace lineárních i nelineárních soustav. Při vývoji nástroje se uplatnila paleta Control Design and Simulation Toolkit, která je součástí LabVIEW.
 
Simulační nástroj se skládá ze vzájemně propojených modulů, mezi nimiž jsou matematické modely jednotlivých funkčních skupin automobilu, ale také např. moduly parametrů simulovaného jízdního cyklu (obr. 3). Modularita simulačního nástroje umožňuje velmi efektivně a rychle zasahovat do vlastního programu. Pouhou záměnou modulů lze např. nahradit palivový článek spalovacím motorem. Hlavní součástí programu je simulační smyčka, ve které jsou umístěny moduly závislé na simulačním čase. Simulační smyčka má dva vstupy: modul jízdního cyklu a modul palivového článku. Ze zadaného jízdního cyklu je průběžně načítána požadovaná rychlost vozidla pro aktuální simulační čas. V modulu palivového článku je prováděn matematický výpočet voltampérové charakteristiky (polarizační křivky) ze zadaných parametrů palivového článku a následný výpočet závislosti spotřeby vodíku na odebíraném výkonu. Výpočet zohledňuje pokles účinnosti článku v důsledku neúplného využití vodíkového paliva, parazitní ztráty způsobené příkonem turbokompresoru či pokles účinnosti v důsledku sériového zapojení jednotlivých článků. Parametry všech součástí mohou být zadány jak ručně v uživatelském prostředí simulace, tak pohodlně načtením ze souboru.
 
Uvnitř simulační smyčky již figuruje vlastní modul vozidla, zahrnující matematické modely řídicí jednotky, elektrosoustavy, pohonných baterií, nádrží na stlačený vodík a kinematiky vozidla. Modul PID regulátor v podstatě zastává úlohu řidiče a udržuje rychlost vozidla podle předepsaného jízdního cyklu. Model tedy na základě požadované rychlosti vypočítá v modulu kinematiky vozidla aktuální potřebu výkonu, která je dále vyhodnocena v řídicí jednotce s ohledem na stav nabití pohonných baterií, a určí odpovídající jízdní strategii. Stav nabití baterií je neustále udržován mezi maximální a minimální hodnotou nabití, což brání jejich přebíjení, popř. podbíjení.
 
Výstupem simulace jsou informace o aktuální rychlosti vozidla, jeho poloze, spotřebě, stavu nabití pohonných akumulátorů, množství vodíkového paliva v nádrži a také hodnota celkové účinnosti. Celková účinnost rodinného vozidla s palivovým článkem PEM v hybridním uspořádání v jízdním cyklu NEDC1) vychází podle simulace lehce nad 40 %. Účinnost obdobného hybridního vozidla se zážehovým motorem se pohybuje okolo 20 % a se vznětovým motorem lehce nad 30 %. Výstupní údaje je možné sledovat jak v podobě ukazatelů (obr. 4), tak v podobě grafů (obr. 5), popř. mohou být uloženy do souboru pro další vyhodnocení.
 
V simulačním nástroji jsou respektovány základní jízdní odpory vozidla, mechanické ztráty v převodovém ústrojí, dále celková účinnost elektrosoustavy, která je ovlivněna účinností měniče, usměrňovače a elektromotoru (Jouleovy ztráty, vířivé proudy). V modelu se počítá i se změnami celkové hmotnosti vozidla v závislosti na kapacitě a typu pohonných akumulátorů a velikosti a typu vodíkové nádrže. Simulační nástroj je vhodný k simulaci jakéhokoliv typu vozidla od osobních automobilů až po autobusy v libovolném jízdním cyklu.
 
Program je dále doplněn nástrojem pro zjištění optimálních parametrů jednotlivých součástí hybridního uspořádání, jako je výkon palivového článku, kapacita pohonných baterií, velikost vodíkové nádrže atd. Tento optimalizační nástroj s výhodou využívá vyhodnocení a vizualizaci získaných dat programem DIAdem.
 

Další možnosti nástroje

 
V závislosti na výkonu počítače může vlastní simulace probíhat v nejkratším možném čase (řádově v sekundách), popř. může být spuštěna v reálném čase. Ve spojení s hardwarem I/O umožňuje prostředí Lab-VIEW nahrazovat jednotlivé programové moduly reálnými funkčními součástmi. To znamená, že lze provádět testování HIL (Hardware-In-the-Loop) tak, že jsou při simulaci používány např. skutečné pohonné baterie namísto jejich matematického modelu. V nejbližší budoucnosti je plánováno využít tento software na reálném modelu hybridního pohonného ústrojí v laboratořích Výzkumného centra Josefa Božka. Přestože model v současné podobě řeší hybridní uspořádání s palivovým článkem, bude jeho další vývoj směřovat spíše k dnes aktuálnějšímu hybridnímu uspořádání se spalovacím motorem. Počítá se také s kalibrací modelu.
 
Literatura:
[1] BARBIR, F. – FUCHS, M. – HUSAR, A. – NEUTZLER, J.: Design and Operational Characteristics of Automotive PEM Fuel Cell Stacks. SAE Paper, No. 2000-01-0011.
[2] LARMINIE, J. – DICKS, A.: Fuel Cell Systems Explained. Second Edition. John Willey and Sons Ltd., 2003.
[3] VÁVRA, J. – MACEK, J. – TAKÁTS, M. – ČEŘOVSKÝ, Z.: Simple Tank-to-wheels Analysis Tool for Future Powertrains.
[4] NAPOLI, A. – PEDE, G.: Hybrid Storage System : An Optimization Case. SAE Paper, No. 2002-01-1914.
[5] SUH, K. – STEFANOPOULOU, A.: Effects of Control Strategy and Calibration on Hybridization Level and Fuel Economy in Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle. SAE Paper, No. 2006-01-0038.
 
Ing. Adam Barák,
ČVUT v Praze, Fakulta strojní,
Ing. Jiří Vávra Ph.D.,
ČVUT v Praze, Fakulta strojní,
Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka
 
Obr. 1. Typické uspořádání hybridního vozidla s palivovým článkem PEM
Obr. 2. Princip fungování palivového článku PEM
Obr. 3. Schéma modulárního uspořádání programu
Obr. 4. Uživatelské prostředí programu v prostředí LabVIEW
 

1) Jízdní cyklus předepisuje vozidlu rychlost v závislosti na čase. New European Driving Cycle (NEDC) je jízdní cyklus používaný v Evropské unii pro typové schvalování osobních vozidel z hlediska emisí škodlivin. NEDC je tzv. přechodový jízdní cyklus sestávající ze čtyřikrát se opakující jízdy v městské oblasti a jedné jízdy v mimoměstské oblasti.