Autori: Dejan Matijević
mr Vladimir Matijević
dr Milan Mijalković
Studijski program: Mehatronika
U tekstu je predstavljen pregled funkcionalnih komponenti hibridnog sistema na vozilu Toyota Prius II generacije sa karakterističnim režimima rada sistema i specifičnostima regulacije stepena napunjenosti visokonaponske baterije. Suština je da se steknu osnove poznavanja funkcionisanja i eksploatacije hibridnih tehnologija u cilju održivog razvoja drumskih vozila u budućnosti.
Toyota je jedna od vodećih kompanija u razvoju alternativne vrste pogona i vozila budućnosti, a po pitanju hibridne tehnologije od početka je postavila temelje liderstva na svetskom tržištu. Prvi i najreprezentativniji model iz domena hibridnog pogona je Prius. Prius je latinska reč i u prevodu znači „ići napred“. S razlogom je izabran baš taj naziv, jer je kompanija bila sigurna još u fazi kostruisanja prototipa da će baš to vozilo promeniti razvojne koncepte ostalih proizvodjača u budućnosti. Globalizacija, rast populacije, tehnološki napredak, izazvali su enormno trošenje velikih količina fosilnih goriva, pa su shodno tome preostale rezerve zabrinjavajuće. Pored potrošnje, veliki problem fosilnih goriva je i zagadjenje okoline koje nastaje njihovim sagorevanjem. Zato hibridni pogon predstavlja sinergijski koncept održive eksploatacije motornih vozila, pošto se istovremeno smanjuje potrošnja uz zaštitu životne sredine sa optimalnim iskorišćenjem performansi pogonskog sistema shodno radnim otporima.
slika 1 : Izgled sistema hibridnog pogona na vozilu Toyota Prius
Glavne komponente hibridnog sistema,primenjenog na vozilu Toyota Prius su :
- Benzinski motor
- Motor-generator 1 ( MG 1)
- Motor-generator 2 ( MG 2)
- Razvodnik pogona
- Invertor
- Visokonaponska (HV) baterija
- HV elektronska kotrolna jedinica
Benzinski motor, oznake 1 NZ-FXE 1, 5l, koristi VVT tehnologiju (promenjivo vreme upravljanja ventilima) što se najviše odražava na povećanje obrtnog momenta pri praznom hodu. Upravo primena te tehnologije omogućava da ovaj motor radi po Atkinsonovom, a ne po Otto ciklusu. Karakteristika Atkinsonovog ciklusa je veći stepen ekspanizije od stepena sabijanja što rezultuje boljim iskorišćenjem u radu motora, naročito pri režimima manjih i srednjih opterećenja kada hibridni koncept i ostvaruje najveće doprinose.
Motor – generator 1 (MG 1) ima funkciju punjenja HV baterije, a pri odredjenim režimima omogućava i napajanje motor – generatoru 2 ( MG2 ) i koristi se pri startovanju benzinskog motora.
Motor – generator 2 (MG 2) koristi se za povećanje obrtnog momenta pri malim brzinama vozila, a pri većim brzinama vozila radi paralelno sa benzinskim motorom . Raspodela snage izmedju dve pogonske mašine u ovim radnim režimima, ostvaruje se na osnovu sinergijskog pristupa odabira što optimalnijeg radnog režima motora SUS, u cilju manje potrošnje i emisije, ali i pravilne eksploatacije HV baterije za pogon MG 2, kako bi se ostvarila maksimalna efikasnost hibridnog sistema tokom različitih ciklusa vožnje. Ujedno se koristi i kao generator pri regenerativnom kočenju.
Razvodnik pogona ima funkciju raspodele snage snage hibridnog pogona i konstruisan je kao set planetarnih zupčanika. MG1 je priključen na sunčani zupčanik, MG2 je povezan na veliki zupčanik sa unutrašnjim ozubljenjem, a izlazno vratilo motora SUS priključeno je na nosač satelita.
Invertor se koristi za kontrolu strujnog toka izmedju MG1, MG2 i HV baterije. Invertor pretvara jednosmernu struju u naizmeničnu, kada baterije pogone električne motore. U fazi regenerativnog kočenja kada MG2 radi kao trofazni generator, naizmenična struja pretvara se u jednosmernu.
HV baterije akumuliraju energiju dobijenu od MG1, radom benzinskog motora, ili od MG2 u fazi regenerativnog kočenja. Baterije obezbedjuju energiju električnim motorima, kada je benzinski motor isključen, ili kada rade uporedo sa njim u cilju postizanja veće snage. Prva verzija Priusa imala je bateriju od 38 ćelija sa ukupnim naponom od 273,6 V, a druga verija bateriju od 28 ćelija sa ukupnim naponom od 201,6 V.
Slika 2 : Pregled različitih standarda emisije motornih vozila
Kada je Prius prvi put pušten u prodaju, iste 2001. godine proglašen je za najbolji putnički automobil. Druga generacija Priusa 2004. godine dobila je nagradu za najbolje konstruktivno rešenje.
Hibridni sistem prve generacije Priusa THS je ispunio kriterijume emisije SULEV, dok hibridni sistem druge generacije THS II ispunjava AT-PZEV kriterijume. SULEV standardi su oko 75 % strožiji od ULEV standarda i oko 90 % čistiji od LEV standarda po pitanju smoga i čađi u izduvnim gasovima. Vozila sa AT-PZEV standardima projektovana su da budu što približnija nultoj emisiji, tokom čitavog radnog veka automobila.
Kontrolni režimi rada hibridnog sistema
Rad u mestu
Na starijoj verziji Priusa i u ovom radnom režimu motor SUS je morao da radi, ali je na novijoj generaciji primenjen električni kompresor, pa se shodno tome motor pokreće samo kada je potrebno dopuniti HV baterije.
Pokretanje vozila
Prilikom pokretanja vozila sa mesta aktivan je samo MG2 pogonjen od HV baterija. Benzinski motor ne radi i vozilo se pokreće samo na račun električne energije. MG1 se obrće u suprotnu stranu, radi na nekom optimalnom broju obrtaja, ali ne proizvodi struju.
Umerena vožnja
Pri uslovima umerene vožnje od 15 – 40 km/h, motor SUS se pokreće i proizvodi struju. Pogon vozila se ostvaruje posredstvom MG2. MG1 prelazi u generatorski režim rada u cilju snabdevanja MG2 električnom energijom.
Puno ubrzanje i velike brzine
Ovaj režim rada zahteva za obe električne mašine prelazak u motorni režim rada u cilju razvijanja što boljih performansi, ali je po pitanju ekonomičnosti krajnje nepovoljan.
Usporavanje vozila
Čim vozač otpusti pedalu gasa, MG2 prelazi u generatorski režim rada, dobijajući pogon od točkova, kako bi se generisala struja za punjenje HV baterija. Ovaj proces naziva se regenerativno kočenje. Kočenjem vozila, motor SUS se isključuje, a MG1 se obrće u suprotnu stranu kako bi se zadržao prenosni odnos.
Kretanje unazad
Prilikom kretanja vozila unazad, MG2 se obrće u suprotnu stranu koristeći motorski režim rada, pri čemu je benzinski motor isključen. MG1 se obrće u smeru za napred ali ne generiše struju.
Slika 3 : Primer raspodele tokova snage pri maksimalnoj brzini kretanja
Karakteristike visoko naponske baterije
Visoko naponska baterija hibridnog sistema na modelu Prius predstavlja nikl – metal hidrid bateriju (Ni-MH), koja se karakteriše po skladištenju velike količine energije – kapacitetom, pouzdanosti i trajnosti. Hibridni sistem kontroliše punjenje i pražnjenje HV baterije, održavajući definisane granice nivoa napunjenosti ( SOC – state of charge ). HV baterija, ECU baterije i sklop glavnih releja smešteni su u prtljažnom prostoru, iza zadnjih sedišta.
Uporedne karakteristike HV baterija na prvoj i drugoj generaciji Priusa, prikazane su u tabeli :
ECU baterije konstantno prati temperaturu, napon i struju HV baterije u cilju bezbednosti. Zadati stepen napunjenosti je oko 60 %. Kada stepen napunjenosti opadne ispod zadatog nivoa, ECU baterije o tome obaveštava HV ECU. HV ECU zatim signalizira kontrolnoj jedinici motora SUS da poveća snagu kako bi se obezbedilo punjenje HV baterije.
Diferencijalni stepen napunjenosti ( Delta SOC) predstavlja radni opseg varijacije stepena napunjenosti HV baterije. Normalna devijacija stepena napunjenosti je 20 %. Ako diferencijalni stepen napunjenosti predje 20 %, to znači da HV ECU ne može da održi optimalan režim napunjenosti. Dijagram regulacije stepena napunjenosti prikazan je na slici 4.
U Visokoj školi elektrotehnike i računarstva strukovnih studija u Beogradu, Hibridna i elektro vozila izučavaju se na specijalističkim studijama studijskog programa Mehatronika, u izvodjenju profesora dr Milana Mijalkovića i predavača mr Vladimira Matijevića.
Cilj predmeta je da studenti steknu uvid u savremene koncepte hibridnih sistema i razumeju neophodnost korišćenja takvih vozila u budućnosti sa akcentom na održivi razvoj. Takodje, dobijaju se široka znanja iz poznavanja komponenti i sistema upravljanja naizmeničnim motorima, kao i širok uvid u baterije i izvore sa perspektivom razvoja. Deo ostalih predavanja posvećen je svim ostalim električnim mašinama na hibridnim sistemima, kao i motorima SUS sa svim specifičnostima.
Slika 4 : Devijacija stepena napunjenosti visokonaponske baterije
Na laboratorijskim vežbama izvode se konkretna komunikaciona i dijagnostička merenja na elektronskim kontrolnim jedinicima postojećih sistema u cilju praktičnog razumevanja hibridnog sistema, ali i u dijagnostičke svrhe. Merenja se izvode na školskom vozilu Toyota Prius II generacije.
Više informacija: Visoka škola elektrotehnike i računarstva strukovnih studija, Vojvode Stepe 283, 11000 Beograd/Voždovac, Srbija, tel: 011/2471-099, web: www.viser.edu.rs/asuv
On je pokretačka sila štampanih izdanja časopisa, rukovodeći celim procesom. U slobodno vreme piše recenzije i neumorno radi na poboljšanju korisničkog iskustva posetiocima sajta.