Práce je ke stažení zde. - Pohony elektrických vozidel

Transkript

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ
Fakulta Dopravní
Bc. Filip Korsa
Experimentální ověření parametrů
lehkého elektrického vozidla
Diplomová práce
2011
Vedoucí práce: prof. Dr. Ing. Miroslav Svítek
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl veškeré
použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o etické přípravě
vysokoškolských závěrečných prací.
Nemám závažný důvod proti užívání tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona
č.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně
některých zákonů (autorský zákon).
V Praze dne 5. 5. 2011
Bc. Filip Korsa
Poděkování
Děkuji panu prof. Dr. Ing. Miroslavu Svítkovi za všestrannou pomoc a možnost realizace
projektu Experimentálního ověření jízdních parametrů lehkého elektronického vozidla. Děkuji
také
panu
doc.
Ing.
Michalovi
Mickovi,
CSc.
za
jeho
pomoc
při
posuzování
napjatostníanalýzy konstrukce a panu Ing. Jindřichovi Sadilovi, Ph.D. za konzultace
související s vyhodnocováním jízdních charakteristik vozidla.
Rád bych také poděkoval své rodině, svým rodičům za podporu při studiu a za vytvoření
potřebného zázemí.
Abstrakt
Cílem projektu je navrhnout a realizovat stavbu lehkého vozidla s hybridním pohonem
kombinujícího pohon lidskou silou s elektromotorem napájeným konvenčním typem baterií a
ověřit jeho jízdní vlastnosti.
Konstrukce vozidla předpokládá uspořádání se čtyřmi koly a je navržena pro jednoho
jezdce, tak aby byly splněny podmínky stanovené vyhláškou Ministerstva Dopravy a Spojů o
Provozu na veřejných komunikacích (č.102/1995Sb). Pozice jezdce je horizontální, jezdci
tedy poskytuje větší komfort pro dlouhé trasy a lepší aerodynamiku vozidla. Možnosti
uspořádání elektropohonu, resp. kombinace elektropohonu s pohonem lidskou silou, jsou
v práci blíže rozepsány a zhodnoceny. Během realizace vozidla byl jako elektropohon zvolen
stejnosměrný motor pohánějící levou zadní poloosu, zatímco pravá poloosa je poháněna
přenosem momentu vyvozeného šlapáním jezdce.
Pro ověření jízdních vlastností jsou navrženy a realizovány jízdní testy, jejichžvýsledkem
je stanovení míry asistence motoru při projíždění různých výškových profilů trasy a
energetická náročnost provozu vozidla. Závěr práce je věnován doporučením pro další vývoj
tohoto typu vozidla.
Klíčová slova
Pohon lidskou silou, lehokolo, tříkolka, čtyřkolka, šlapací auto, velomobil, paralelní
hybridní pohon, sériový hybridní pohon, asistenční koeficient elektromotoru.
Abstract
The purposeof this study was to design and realize the construction of light hybrid
vehicle that combines human power and electromotor power with usage of conventional type
of batteries and to investigate its riding characteristics.
Vehicle design assumes four-wheeled construction and is proposed for one driver in
accordance with conditions given by Ministry of Transport prescription of traffic on public
roads (num.102/1995Sb). The position of the driver is horizontal whatprovides himhigher
comfort for long drives and reduces vehicle aerodynamicdrag. Layout options of the
electromotorand human power combination are described closer and evaluated in this thesis.
During the design process the brushgeared DC motor was chosen assuitable fordriving the
left rear driveshaft, while the right half-shaft is driven by riders pedalling. To verify the driving
characteristics driving tests are designed and performed.
The results of these tests were to determine the level of motor assistance when driving
various elevation (altitude) profiles of the track and energetic demands of the vehicle
operation. The conclusion is devoted to recommendations for further development of this
kind of vehicle based on examined riding characteristics.
Key words
Human electro hybrid, recumbent bike, tricycle, quad-cycle, pedal-car, velomobil, parallel
hybrid drive, series hybrid drive, motor assistance factor.
Experimentální ověření parametrů lehkého elektrického vozidla
Diplomová práce, Filip Korsa
Obsah
OBSAH
1
SEZNAM OBRÁZKŮ
4
SEZNAM TABULEK
7
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK
9
ÚVOD
10
1
ANALÝZA SOUČASNÉHO STAVU
11
1.1
Historický vývoj HPV
11
1.2
Hybridní vozidla s pohonem lidskou silou
14
2
SYSTÉM HYBRIDNÍHO VOZIDLA
20
2.1
Paralelní hybridní pohon
20
2.2
Sériový hybridní pohon
21
2.3
Komponenty hybridního systému s pohonem lidskou silou
23
2.3.1
Pohon lidskou silou, specifikace
23
2.3.2
Elektromotor
25
2.3.3
Baterie
30
2.3.4
Ovládací prvky
34
3
NÁVRH VOZIDLA
36
3.1
Globální požadavky na konstrukci, specifikace zadání
36
3.2
Konstrukční řešení
36
3.2.1
Rám, podvozek
36
3.2.2
Ergonomie
37
3.2.3
Řízení vozidla – geometrie řízení
39
1
3.2.4
Brzdová soustava
40
3.2.5
Hnací ústrojí
40
3.2.6
Vedení řetězu
41
3.2.7
Kola
41
3.3
Pevnostní analýza
41
3.3.1
Materiál rámu
41
3.3.2
Mesh
42
3.3.3
Zatížení a okrajové podmínky
42
3.3.1
Analýza posuvů
42
3.3.2
Napěťová analýza
43
3.4
Dynamika vozidla
44
3.4.1
Jízdní odpory
44
3.4.2
Výkonová analýza
46
3.4.3
Návrh hnacího ústrojí
47
3.4.4
Odhad dojezdu, propočet kapacity baterií
48
3.5
Bezpečnostní aspekty
50
3.5.1
Provedení konstrukce
50
3.5.2
Osvětlení vozidla
50
3.5.3
Kapotáž
50
3.5.4
Helma a nášlapné pedály
50
3.5.5
Výhled do budoucna
50
4
REALIZACE VOZIDLA
52
4.1
Výroba vozidla
52
4.2
Elektromotor
54
4.3
Kontroler
57
4.4
Akumulátory
57
4.5
Finanční kalkulace projektu
59
5
OVĚŘENÍ JÍZDNÍCH VLASTNOSTÍ VOZIDLA
5.1
Testovací trasa
61
61
2
5.2
Metodika hodnocení vozidla
62
5.3
Způsob měření
63
5.3.1
Měření napětí
64
5.3.2
Měření proudu
65
5.3.3
Wattmetr
65
5.3.4
Měření kadence
66
5.3.5
Měření síly působící na pedál
66
5.3.6
GPS
69
5.3.7
Tepová frekvence
69
5.4
Zpracování dat
70
5.5
Výsledky měření
73
6
ZÁVĚRY A DOPORUČENÍ PRO DALŠÍ VÝVOJ
6.1
Závěr
80
6.2
Doporučení pro další vývoj
81
CITOVANÁ LITERATURA
82
PŘÍLOHA A – ELEKTROMOTOR, MĚŘENÍ ELEKTROMOTORU
85
PŘÍLOHA B – ZAPOJENÍ KONTROLERU MOTORU
88
PŘÍLOHA C – UKÁZKA VÝPOČETNÍHO ALGORITMU 1
89
PŘÍLOHA D – UKÁZKA VÝPOČETNÍHO ALGORITMU 2
92
3
80
Seznam obrázků
OBRÁZEK 1 (A) HISTORICKÁ LEHOKOLA (1921-33) V MUZEU VELORAMA (2); (B) DOBOVÁ FOTOGRAFIE: FRANCIS
FAURE PŘEKONÁVÁ SVĚTOVÝ REKORD V ROCE 1933 (3)................................................................. 11
OBRÁZEK 2 (A) MOCHETŮV VELOMOBIL, 1945 (4); (B) DOBOVÁ FOTOGRAFIE – ZÁVODY VELOMOBILŮ, 1925
(5) ...................................................................................................................................... 12
OBRÁZEK 3 (A) ŠLAPACÍ ČTYŘKOLKA S POHONEM VŠECH 4 KOL – TRAILCART(6); (B) ŠLAPACÍ ČTYŘKOLKA PRO 4
ŠLAPAJÍCÍ, MODEL DELFINO – SURREYCARS (7) ............................................................................ 13
OBRÁZEK 4 (A) NEJRYCHLEJŠÍ HPV VOZIDLO NA 200M(8);(B) NEJRYCHLEJŠÍ VOZIDLO V ZÁVODĚ NA 24 HODIN –
CRITICAL POWER (9)............................................................................................................... 13
OBRÁZEK 5: SKLÁDACÍ ELEKTROKOLO GOCYCLE S BATERIÍ V RÁMU A JEDNOSTRANNÝM UCHYCENÍM KOL (12) .. 14
OBRÁZEK 6 (A) SINCLAIR C5 MEZI OSOBNÍMI VOZIDLY; (B) KONSTRUKCE SINCLAIR C5 (13) .......................... 15
OBRÁZEK 7: TWIKE V RŮZNÉM BAREVNÉM PROVEDENÍ (14)................................................................. 16
OBRÁZEK 8: PARALELNÍ POHON VOZIDLA TWIKE (14) ......................................................................... 16
OBRÁZEK 9: ČESKÉ OBOJŽIVELNÉ VOZIDLO VLASTNÍ VÝROBY (16) ............................................................ 17
OBRÁZEK 10: TŘÍKOLKA VYBAVENÁ SÉRIOVÝM POHONEM SPOLEČNĚ SE SVÝM AUTOREM A. FUCHSEM (18) (19)
........................................................................................................................................... 18
OBRÁZEK 11: PEDÁLOVÝ GENERÁTOR 2004/05 (18) (19) ................................................................... 18
OBRÁZEK 12: URBAN QUADRACYCLE (18) (19) .................................................................................. 19
OBRÁZEK 13: KONSTRUKCE A KONCEPT SPOLEČNOSTI HUMANCAR – „VESLOVACÍ VOZIDLO“(21).................. 19
OBRÁZEK 14: PARALELNÍ HYBRIDNÍ POHON (23) ................................................................................. 20
OBRÁZEK 15: SÉRIOVÝ HYBRIDNÍ POHON (23) .................................................................................... 22
OBRÁZEK 16 (A) ZÁVISLOST TEPOVÉ FREKVENCE NA ODEVZDÁVANÉM VÝKONU; (B) VZNIK KYSELINY MLÉČNÉ
V ZÁVISLOSTI NA TEPOVÉ FREKVENCI (20) .................................................................................... 24
OBRÁZEK 17: PRACOVNÍ OBLAST ČLOVĚKA, ZÁVISLOST VYVOZENÉHO MOMENTU NA OTÁČKÁCH (20) ............. 24
OBRÁZEK 18: VYSVĚTLENÍ PRINCIPU DC MOTORU S PERMANENTNÍMI MAGNETY (28) ................................ 26
OBRÁZEK 19: ČTYŘ-PÓLOVÝ DC MOTOR, ČÁRKOVANÉ ČÁRY UKAZUJÍ SMĚR TOKU PROUDU, KONVENCE SMĚRU
VEDENÍ PROUDU
(28) ............................................................................................................. 26
OBRÁZEK 20: ZÁVISLOST MOMENTU NA RYCHLOSTI (28)....................................................................... 28
OBRÁZEK 21: OBVOD PRO ZAPOJENÍ MOTORU S ODPOREM PRO VYUŽITÍ ELEKTRODYNAMICKÉ BRZDY (28)....... 28
OBRÁZEK 22: PRINCIP BEZKARTÁČOVÉHO DC MOTORU (28) ................................................................. 30
OBRÁZEK 23: USPOŘÁDÁNÍ BLDC MOTORU SE TŘEMI CÍVKAMI (28) ....................................................... 30
4
OBRÁZEK 24 (A) KONSTANTNÍ VYBÍJENÍ TYPICKÉ BATERIE (23); (B) ODLIŠNÉ VYBÍJECÍ PROUDY, VYBÍJECÍ
CHARAKTERISTIKA SLA BATERIE (VIZ PŘÍLOHA NA CD, MATERIÁL OD VÝROBCE) ................................... 31
OBRÁZEK 25 (A) (B): PAS – SNÍMÁNÍ RYCHLOSTI OTÁČENÍ KLIK (29); (C) PAS – SNÍMÁNÍ MOMENTU (30)..... 35
OBRÁZEK 26: NOSNÝ RÁM VOZIDLA [AUTOR]...................................................................................... 37
OBRÁZEK 27: APARATURA PRO MĚŘENÍ ZÁVISLOST VÝKONU JEZDCE NA POZICI PEDÁLŮ (ÚHEL 75°) (31)......... 38
OBRÁZEK 28: MODEL SEDLA – SKOŘEPINA [AUTOR] ............................................................................. 38
OBRÁZEK 29: SCHÉMA ACKERMANOVY GEOMETRIE ŘÍZENÍ (33) ............................................................. 39
OBRÁZEK 30: DETAIL ULOŽENÍ PŘEDNÍCH KOL, REJDOVÝ ČEP, TÁHLA ŘÍDÍCÍ TYČE [AUTOR] ............................ 40
OBRÁZEK 31: MODEL VOLANTU [AUTOR]........................................................................................... 40
OBRÁZEK 32 (A) BUBNOVÉ BRZDY STURMY ARCHER (36), (B) MODEL BRZDOVÝCH PÁK [AUTOR] .................. 40
OBRÁZEK 33: ZATÍŽENÍ KONSTRUKCE A JEJÍ OKRAJOVÉ PODMÍNKY V PROSTŘEDÍ ANSYS WORKBENCH 12.1
[AUTOR] ............................................................................................................................... 43
OBRÁZEK 34: DEFORMACE RÁMU [AUTOR] ........................................................................................ 43
OBRÁZEK 35: NAPĚŤOVÁ ANALÝZA RÁMU [AUTOR] .............................................................................. 43
OBRÁZEK 36: SÍLY PŮSOBÍCÍ NA POHYBUJÍCÍ SE VOZIDLO (23)................................................................. 44
OBRÁZEK 37: LOKALIZACE ANALYZOVANÉ TRASY [BIKEMAP.NET] ............................................................. 48
OBRÁZEK 38: MODEL VOZIDLA VE 3D [AUTOR] ................................................................................... 53
OBRÁZEK 39 REALIZOVANÉ VOZIDLO V POHLEDU (A) ZEPŘEDU, (B) ZE ZADU [AUTOR] ................................. 54
OBRÁZEK 40: TECHNICKÉ VÝKRESY ELEKTROMOTORU............................................................................ 55
OBRÁZEK 41: MECHANICKÉ UPEVNĚNÍ ELEKTROMOTORU (1), PASTORKY HNANÝCH POLOOS (2 A 3) [AUTOR].. 55
OBRÁZEK 42: EFEKTIVITA ELEKTROMOTORU [AUTOR] ........................................................................... 56
OBRÁZEK 43: KONTROLER ELEKTROMOTORU [DOKUMENTACE ZAKOUPENÉHO PRODUKTU, PŘÍLOHA CD] ........ 57
OBRÁZEK 44: SEJMUTÉ PRŮBĚHY VSTUPNÍHO A VÝSTUPNÍHO NAPĚTÍ A PROUDU NA KONTROLERU (A) PŘI CHODU
NAPRÁZDNO, RESP. (B) PŘI NEZATÍŽENÉM CHODU MOTORU. OZNAČENÍ JEDNOTLIVÝCH KANÁLŮ: ORANŽOVÁ
– VSTUPNÍ NAPĚTÍ, ZELENÁ – VÝSTUPNÍ NAPĚTÍ, MODRÁ – VSTUPNÍ PROUD, RŮŽOVÁ – VÝSTUPNÍ PROUD. 57
OBRÁZEK 45: (A) VYBÍJECÍ CHARAKTERISTIKA VYBRANÝCH BATERIÍ, (B) NABÍJECÍ CYKLUS OLOVĚNÝCH
AKUMULÁTORŮ (41)............................................................................................................... 58
OBRÁZEK 46: TESTOVACÍ TRASA S VYZNAČENÝMI ÚSEKY [AUTOR]............................................................ 61
OBRÁZEK 47: VÝŠKOVÝ PROFIL TRASY S VYZNAČENÍM SLEDOVANÝCH ÚSEKŮ [AUTOR].................................. 62
OBRÁZEK 48: TABULKA ZÁTĚŽOVÝCH PÁSEM(42) ................................................................................ 63
OBRÁZEK 49: (A) MULTIFUNKČNÍ KARTA NI USB 6009(43) (B) SPECIÁLNÍ KRYT KARTY S BANANA KONEKTORY
[AUTOR] ............................................................................................................................... 64
5
OBRÁZEK 50: ULOŽENÍ MĚŘÍCÍ TECHNIKY V ZAVAZADLOVÉM BOXU [AUTOR] .............................................. 64
OBRÁZEK 51: SCHÉMA DĚLIČE NAPĚTÍ [AUTOR] ................................................................................... 65
OBRÁZEK 52: PROUDOVÁ SONDA TELCOM HT300M [AUTOR] .............................................................. 65
OBRÁZEK 53: TURNIGY 130A WATT METER AND POWER ANALYZER [HOBBYKING.COM] ........................... 66
OBRÁZEK 54 (A) MAGNETICKÝ JAZÝČKOVÝ KONTAKT, (B) ZAPOJENÍ [AUTOR]............................................. 66
OBRÁZEK 55: SCHÉMA ZAPOJENÍ ZESILOVACÍHO OBVODU TENZOMETRICKÉHO SENZORU [AUTOR] .................. 67
OBRÁZEK 56: KALIBRACE SENZORU [AUTOR] ....................................................................................... 68
OBRÁZEK 57 (A) REALIZACE OBVODU NA UNIVERZÁLNÍM PÁJIVÉM POLI, (B) UCHYCENÍ NA PEDÁL, (C) DEFORMAČNÍ
ČLEN [AUTOR]........................................................................................................................ 68
OBRÁZEK 58 (A) GPS 18X USB, (B) GARMIN 60CSX [GARMIN] ........................................................... 69
OBRÁZEK 59: PULSMETR CICLO PULS CS8 ......................................................................................... 69
OBRÁZEK 60: UKÁZKA ZAZNAMENANÉHO LOGU (SHORA: PRŮBĚH NAPĚTÍ, KADENCE ŠLAPÁNÍ, NADMOŘSKÁ
VÝŠKA, PŮSOBÍCÍ SÍLA, PRŮBĚH ODEBÍRANÉHO PROUDU, RYCHLOST VOZIDLA) ..................................... 70
OBRÁZEK 61 (A) EXPORTOVANÝ PRŮBĚH RYCHLOSTI, (B) VYHLAZENÝ PRŮBĚH RYCHLOSTI [AUTOR] ................ 71
OBRÁZEK 62: VÁŽENÍ SÍLY PŮSOBÍCÍ NA PEDÁL (A) POMOCÍ SINUSOIDY, (B) POMOCÍ TROJÚHELNÍKOVÉ FUNKCE. 71
OBRÁZEK 63: UKÁZKY ZAZNAMENANÉHO LOGU OKAMŽITÉ SÍLY PŮSOBÍCÍ NA PEDÁL PRO (A) BĚŽNÉ JÍZDNÍ KOLO,
(B) PRO KONSTRUOVANÉ VOZIDLO PŘI NIŽŠÍ RYCHLOSTI, (C) PRO VOZIDLO PŘI VYŠŠÍ RYCHLOSTI [AUTOR] .. 73
OBRÁZEK 64: POROVNÁNÍ ENERGETICKÉ NÁROČNOSTI (A) VOZIDLA VYBAVENÉHO TRAKCÍ (9:15-II), (B) BĚŽNÉHO
JÍZDNÍHO KOLA (MAXIMÁLNÍ VÝKON JEZDCE) [AUTOR] .................................................................... 74
OBRÁZEK 65: KUMULATIVNÍ ENERGIE DODANÁ JEZDCEM VOZIDLU PŘI MĚŘENÍ 9:15-2 [AUTOR] ................... 75
OBRÁZEK 66: GRAF OKAMŽITÉHO VÝKONU ELEKTROMOTORU PRO MĚŘENÍ 9:15-II, ROZDĚLENÍ NA MĚŘENÉ
ÚSEKY [AUTOR] ...................................................................................................................... 77
OBRÁZEK 67: POROVNÁNÍ OKAMŽITÉ RYCHLOSTI (A) VOZIDLA 9:15 A (B) VOZIDLA 9:20 [AUTOR]................. 78
6
Seznam tabulek
TABULKA 1: SROVNÁNÍ NEJČASTĚJI POUŽÍVANÝCH BATERIÍ V APLIKACÍCH LEV, HEH (28) ............................ 34
TABULKA 2: HODNOTY ODCHYLEK REJDOVÉHO ČEPU A KOL (35) ............................................................. 39
TABULKA 3: VLASTNOSTI POUŽITÉ SLITINY PRO VÝROBU RÁMU (37)......................................................... 42
TABULKA 4: VLASTNOSTI SÍTĚ [AUTOR] .............................................................................................. 42
TABULKA 5: HODNOTY CD, S A EFEKTIVNÍ ČELNÍ PLOCHY (38)................................................................. 45
TABULKA 6: HODNOTY CR (38)(39).................................................................................................. 45
TABULKA 7: VÝKONY P [W] PRO PŘEKONÁNÍ ODPORU VZDUCHU [AUTOR] ................................................ 47
TABULKA 8: REÁLNÝ VÝKON P [W] POTŘEBNÝ PRO PŘEKONÁNÍ ODPORU PROTI STOUPÁNÍ [AUTOR] ............... 48
TABULKA 9: REÁLNÝ VÝKON P [W] POTŘEBNÝ PRO AKCELERACI NA URČITOU RYCHLOST ZA URČITÝ ČAS [AUTOR]
........................................................................................................................................... 48
TABULKA 10: POROVNÁNÍ VÝŠKOVÝCH PROFILŮ TESTOVACÍHO OKRUHU A REÁLNÉ TRASY ............................. 49
TABULKA 11: MODELOVÝ VÝPOČET POŽADOVANÉHO VÝKONU VOZIDLA [AUTOR] ....................................... 49
TABULKA 12: HLAVNÍ PARAMETRY VOZIDLA [AUTOR]............................................................................ 52
TABULKA 13: CHARAKTERISTIKY ELEKTROMOTORU [UNITEMOTOR] ......................................................... 55
TABULKA 14: ZÁTĚŽOVÁ CHARAKTERISTIKA MOTORU PŘI U = 36V; VÝSTUPNÍ HODNOTY PRO PŘEVODOVÝ POMĚR
I = 9:15 A I = 9:20 (MIN – TOČIVÝ MOMENT MOTORU, RPM – OTÁČKY ELEKTROMOTORU, IZDROJ –
ODEBÍRANÝ PROUD, PIN – TEORETICKÝ VÝKON, POUT – REÁLNÝ VÝKON, N – ÚČINNOST, MOUT – PŘEPOČTENÝ
TOČIVÝ MOMENT NA ZADNÍ POLOOSE, RPMKOLO – RYCHLOST OTÁČENÍ ZADNÍHO 20” KOLA, VKOLO – RYCHLOST
POHYBU) [AUTOR] .................................................................................................................. 56
TABULKA 15: SROVNÁNÍ PARAMETRŮ BATERIÍ DOSTUPNÝCH NA ČESKÉM TRHU .......................................... 58
TABULKA 16: CELKOVÁ FINANČNÍ BILANCE.......................................................................................... 60
TABULKA 17: PARAMETRY JEDNOTLIVÝCH ÚSEKŮ TRASY [AUTOR] ............................................................ 61
TABULKA 18: KALIBRACE SENZORU MĚŘENÍ SÍLY PŮSOBÍCÍ NA PEDÁL [AUTOR]............................................ 68
TABULKA 19: MODELOVÝ VÝPOČET VÝKONŮ POTŘEBNÝCH PRO POHON VOZIDLA, ENERGETICKÁ NÁROČNOST
VOZIDLA (VAVG-PRŮMĚRNÁ RYCHLOST, VMAX-MAXIMÁLNÍ RYCHLOST, T-ČAS, PCL-VÝKON PRO STOUPÁNÍ,
PA-VÝKON PRO PŘEKONÁNÍ ODPORU VZDUCHU, PROLL-VYKON PRO PŘEKONÁNÍ VALIVÉHO ODPORU, PACCVÝKON PRO AKCELERACI, PCELK-CELKOVÝ PRŮMĚRNÝ VÝKON, WCELK-CELKOVÁ ENERGIE PRO TESTOVACÍ
TRASU, SPOTŘEBA) [AUTOR] ..................................................................................................... 74
TABULKA 20: POROVNÁNÍ VÝKONU JEZDCE PRO VOZIDLO BEZ TRAKČNÍ VÝBAVY, S NÍ A PRO BĚŽNÉ JÍZDNÍ KOLO
[AUTOR] ............................................................................................................................... 75
7
TABULKA 21: VÝSLEDKY TESTOVÁNÍ VOZIDLA VYBAVENÉHO ELEKTRICKOU TRAKCÍ [AUTOR] ........................... 77
TABULKA 22: POROVNÁNÍ VYNALOŽENÉ ENERGIE JEZDCE PŘI JÍZDĚ NA JÍZDNÍM KOLE A NA VOZIDLE VYBAVENÉHO
ELEKTROMOTOREM [AUTOR] .................................................................................................... 78
TABULKA 23: POROVNÁNÍ AKCELERACE VOZIDLA 9:15 A 9:20 [AUTOR] ................................................... 78
TABULKA 24: HODNOTY TEPOVÉ FREKVENCE JEZDCE PRO JEDNOTLIVÉ JÍZDY [AUTOR] .................................. 79
8
Seznam použitých zkratek
BLDC Brushless DC motor
BMS ______Battery Management System
CVT ______Continues Variable Transmission
HPV ______Human Powered Vehicle
HPH ______Human Powered Hybrid
HEH ______Human-Electro Hybrid
HEHD _____Human-Electro Hybrid Drive
HEPAV ____Human Powered Electric Amphibious Vehicle
ICE _______Internal Combustion Engine
LEV_______Light Electric Vehicle
NiMH _____Nickel MetalHydride
PAS ______Pedal Assist System
PH _______Parallel Hybrid
SH _______Serial Hybrid
9
Úvod
Jedním z rozhodujících faktorů ovlivňujících poslední vývojové trendy dopravních
prostředků je ekologie provozu a jejich šetrnost vůči životnímu prostředí. Snažíme se
neustále zvyšovat efektivitu využití energetických zdrojů vozidel astále častěji se na silnicích
setkáváme s hybridními vozidly, kombinujícími více typů pohonů. Jejich kombinace je
výhodná právě z hlediska optimalizace spotřeby, maximalizace dojezdu a minimalizace
emisí. Jednou z možností je využít k pohonu lehkého vozidla také lidské síly, řidiče nebo celé
jeho posádky. Dostáváme se tak k novému termínu známému v anglické literatuře jako
Human Powered Vehicle (HPV), resp. ještě spíše Human Powered Hybrid (HPH). Takový
dopravní prostředek je ideálním spojením ekologického a přitom poměrně rychlého, tedy
efektivního způsobu dopravy, ale může být také zábavnou formou cvičení či relaxace
v otevřené krajině. Ukazuje se, že horizontální poloha a pravidelný rytmus šlapání jezdce
jsou vhodnéi pro lidi s kardiovaskulárními chorobami, komfort jízdy je nesrovnatelný s pozicí
jezdce na obyčejném kole a umožňuje i několikahodinové jízdy. Také jízdní odpory hrají
poměrně zásadní roli.
Při výběru tématu své diplomové práce jsem vycházel z výše uvedených sociálních
aspektů, totiž trendů ekologické dopravy a s tím související pravděpodobností rozšíření
diskutovaného typu vozidla.Prvotním impulsem byl ale můj dlouholetý sen postavit vlastní
šlapací čtyřkolku, na které bude možné cestovat napříč Evropou, světem.
10
1 Analýza současnéhostavu
1.1 Historický vývoj HPV
Od sestrojení prvního tzv. bezpečného kola (předchůdcem bezpečného kola byla tzv.
kola vysoká s průměrem předního kola až 1,5m) v roce 1885 panem Johnem Kempem
Starleyem1 byl jeho způsob pohonu, tedy přenos hnacího momentu z pedálů pomocí řetězu
na zadní kolo, adaptován a využit pro řadu konstrukcí jiné koncepce. Z 20. a především z let
30. let minulého století jsou dochovány fotografie prvních lehokol2, v některých případech
vybavených dokonce volantem místo klasických řídítek. Pozice jezdce je na těchto kolech
horizontální, což má své výhody v komfortu posedu při jízdě, ale zejména také v lepší
aerodynamice. Lehokola byla vyvíjena a nabízena ve Francii a Německu přibližně od roku
1914 (1). Zásadní okamžik přišel v roce 1933, kdyFrancis Faure překonal 20 let starý
rychlostní rekord v hodinovém závodě a na pařížském velodromu dosáhl hodinové průměrné
rychlosti přes 45km/h na lehokole francouzského konstruktéra Charlese Mocheta (Obrázek
1). Událost okamžitě upoutala veškerou pozornost médií a začaly se objevovat spekulace o
tom, co ještě je kolo a co ne. V roce 1934 Mezinárodní Cyklistická Asociace (Union Cycliste
Internationale - UCI) vydala prohlášení o konkrétních rozměrechzávodních kol. Konstrukce
lehokola svou podstatou nemohla splnit takto definované parametry a lehokolo nemohlo
proto být dále profesionálně nasazováno do závodů, což značně zpomalilo jeho další vývoj.
(a)
(b)
Obrázek 1 (a)Historická lehokola (1921-33) v muzeu Velorama (2);(b)dobová fotografie: Francis Faure
překonává světový rekord v roce 1933 (3)
Zmíněný konstruktér Charles Mochet se nezabýval jen návrhy jednostopých lehokol, ale
věnoval se i konstrukci vícestopých velomobilů3 (Obrázek 2). Z počátku byly jen s pohonem
lidskou silou, později však motorizovány a jejich vývoj pokračoval až do roku 1960.
S motorovými velomobily se ve Francii mohlo jezdit bez řidičského průkazu, ale změna
1
Ačkoli roku 1974 byla při renovaci spisu Codex Atlanticus Leonarda da Vinciho objevena skica stroje, který
se svou konstrukcí podobá dnešnímu jízdnímu kolu. Skica pochází z roku 1493, její autorství a původ jsou však
sporné. Kolo bylo poháněno pomocí klik a síla byla přenášena na zadní kolo řetězem.
2
V anglické literatuře recumbent bike.
3
Také velocar.
11
zákona právě v roce 1960, která toto nepovolovala, znamenala výrazné snížení poptávky a
ukončení jejich výroby.
(a)
(b)
Obrázek 2(a) Mochetův velomobil, 1945 (4); (b) Dobová fotografie – závody velomobilů, 1925 (5)
Velomobilemrozumíme vozidlo poháněné lidskou silou opatřené karosérií pro zajištění
ochrany jezdce před nepříznivým počasím a zároveň zlepšující aerodynamiku vozidla.
Nejčastěji vychází z konstrukce tříkolky (tadpole i delta konstrukce4), v současné době též
z konstrukce lehokola, méně často pak jako čtyřkolka (quad),zejména z důvodu složitější
konstrukce. Tří-kolové vozidlo je samo o sobě stabilní (rovina je dána třemi body), při
konstrukci typu tadpolese hnací moment přenáší na jedno zadní kolo a není nutné řešit
problém diferenciálu. V případech s nižší provozní rychlostí (hračky, tříkolky pro nemohoucí)
je poháněno pouze jedno zadní kolo. Konstrukce se čtyřmi koly vyžaduje navícřešení
přenesení krouticího momentu působícího na rám. V případě lehkého šlapacího vozidla je
možné rám postavit dostatečně pružný (podobně jako závodní motokáry) nebo jej osadit
otočným roštem umožňujícím naklápění přední, resp. zadní osy či vozidlo odpružit například
nápravami MacPherson.
Neustále se setkáváme s novými konstrukcemi vozidel např. s pohonem všech čtyř kol
(Obrázek 3) vhodných do terénu opatřených dvěma diferenciály (německý výrobce TrailCart)
či kontinuální převodovkou (CVT) nebo vozidel pro rekreační účely pro dva, čtyři, šest i více
šlapajících pasažérů. Během řešení této diplomové práce se podařilo dohledat podrobnější
informace o přibližně 40 výrobcích5 tříkolých a čtyřkolýchvozidel na lidský pohon, jejichž
podrobnější analýza by vydala na samostatnou práci, přesto jsou širší veřejnosti takováto
vozidla neznámá. V porovnání s normálními koly se jich vyrábí nesrovnatelně méně a i cena
se leckdy pohybuje kolem ceny ojetého automobilu.
4
5
Konstrukce tadpole – 2 kola vpředu, delta – 2 kola vzadu.
Máme na mysli výrobce s malosériovou výrobou a webovou prezentací, nikoli tzv. homebuildy.
12
(a)
(b)
Obrázek 3 (a) Šlapací čtyřkolka s pohonem všech 4 kol – TrailCart(6); (b) Šlapací čtyřkolka pro 4 šlapající,
model Delfino – SurreyCars (7)
Novodobá kapotovaná lehokola, svým tvarem připomínajícím raketu, se v posledních
letech předhánějí v maximálních dosažených rychlostech, které stoupají až k obdivuhodným
130 km/h (80mph).K posouvání hranice lidských možností a možností HPV přispívá
každoročně konaný závod Battle Mountain WHPSC (World Human Powered Speed
Challenge) v Nevadě. Na následujícím obrázku (Obrázek 4) je zobrazeno současné
nejrychlejší vozidlo poháněné lidskou silou, které na vzdálenost 200m dosáhlo rychlosti
82.819mph6 v roce 2009 (8). Uveďme ještě rekordmana v závodě na 24 hodin, Grega
Kolodziejzyka, který s vozidlem Critical Power urazil 1041 km (647 mil) za jediný den(9).
Český rekord na 24 hodin se blíží 700 km za den v závodě K24 (10).
(a)
(b)
Obrázek 4(a) nejrychlejší HPV vozidlo na 200m(8);(b) nejrychlejší vozidlo v závodě na 24 hodin – Critical
Power (9)
Ve výše uvedených příkladech jsme sledovali, jak efektivně lze využít lidské síly za
účelem přepravy. Pokud navíc takové vozidlo vybavíme přídavným motorem (elektrickým
nebo spalovacím) a zůstane-li zachována jeho nízká hmotnost, získáme velmi ekologický
dopravní prostředek vhodný pro každodenní dojíždění do práce, pojezdy po městě, ale i pro
celodenní (i vícedenní) výlety do přírody. V této práci se budeme zabývat kombinací lidské
6
Řidičem byl Sam Whittingham.
13
síly a elektromotoru a pro takové vozidlo budeme používat termín Human-Electro Hybrid
(HEH).
1.2 Hybridní vozidla s pohonem lidskou silou
Nejjednodušším a také nejrozšířenějším HEH vozidlem je elektrokolo. Trh s elektrokoly
výrazně expanduje od roku 1998zejména v Evropě,v „cyklistických“ velmocích jako je
Holandsko, kde elektrokola nyní tvoří celou třetinu trhu. Odborníci na toto průmyslové
odvětví očekávají podobné trendy i v Německu, Francii a v Itálii. Jejich enormní nárůst je dán
lepší dostupností jednotlivých komponent pohonu (elektromotor, kontroler, baterie) nejčastěji
vyráběných v Číně, ve které podle současných odhadů (11) jezdí na 120 milionů elektrokol.
Vysoké objemy výroby snížily náklady na výrobu a zvýšily dostupnost i poptávku. Elektrokolo
se hodí zejména do města, čemuž odpovídá nejčastěji deklarovaný dojezd s příšlapem 50 až
80km v závislosti na okolních podmínkách, poměru příšlapu, kapacitě a typu baterií. K jeho
velkému rozšíření přispívá možnost dopravovat kolo prostředky městské hromadné dopravy
či vlakem, ale i fakt, že dle směrnic Evropské Unie (EU-Directivy 2002/24/EC, která vstoupila
v platnost 9. května 2003) není k řízení elektrokola požadován zvláštní řidičský průkaz,
pokud je výkon elektromotoru do 250W7 a jeho max. konstrukční rychlost (při které ještě
elektromotor přidává výkon) 25km/h. Pokud jsou hodnoty vyšší, je již třeba řidičského
oprávnění a takové vozidlo musí projít zkouškami, musí splňovat podmínky vyhlášky
Ministerstva dopravy a spojů č. 341/2002sb., přílohy č. 13, podmínky elektromagnetické
kompatibility (Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2004/108/ES) a směrnici pro strojní
zařízení (Machinery Directive).
Obrázek 5: Skládací elektrokolo GoCycle s baterií v rámu a jednostranným uchycením kol (12)
Elektromotor bývá na kolech nejčastěji umísťován do zadního nebo předního náboje. Na
trhu je ale dostupný náboj obsahující elektromotor i baterii, kterou pak není nutné umisťovat
na nosiči. Nevýhodou může být nutnost elektrické přípojky v místě parkování kola, protože
baterii není možné jednoduše vyjmout. Někteří výrobci dávají přednost umístění
7
Pro spalovací motory je tento limit stanoven na 1kW. Převážně proto, že není v EU tolik rozšířen a tedy
v ČR toto omezení vychází jen z vyhlášky Ministerstva Dopravy.
14
elektropohonu mimo náboj, tak že cyklista i elektromotor roztáčejí hnací řetěz stejnou
rychlostí. Toto umístění je složitější z hlediska umístění motoru na rám kola, ale výhodnější
v optimalizaci otáček elektromotoru. High-endová kola dosahující vysokých rychlostí (až
70km/h), využívají tohoto uspořádání, které funguje podobně jako převodovka v automobilu.
Jako dalšího zástupce HEH uveďme vozidlo Sinclair C5 (Obrázek 6), projekt anglického
vynálezce Sira Clive Sinclaira, excentrického, velmi bohatého génia, známého také díky
sestrojení jedněch z prvních osobních počítačů ZX80 a ZX81 v roce 1980, kalkulačkami a
kapesními televizemi (13). Myšlenkou lehkého elektrického vozidla se zabýval již od mládí,
hlouběji pak od roku 1970.Vývoj vozidla Sinclair C5 byl zahájen v roce 1979, začalo se
prodávat v lednu 1985. Vozidlo bylo poháněno lidskou silou – šlapáním a 250W/12V
elektromotorem od italské firmy Polymotor, výrobcem motorů pro pračky. S tímto motorem
vozidlo dosahovalo rychlosti 15mph (24km/h). Polypropylenová skořepina, ve své době
největší vstřikovaná forma, byla vyráběna v dílnách zkrachovalého výrobce vozidel
DeLorean.Z marketingového pohledu byl ale tento projekt odsouzen k neúspěchu již od
svého spuštění. Marketingová kampaň začala v zimě roku 1984 a prodej nekapotovaného
vozidla v lednu 1985. C5 bylo vybaveno olověným 12V akumulátorem, se kterým dosahovalo
dojezdu pouhých 15km (v zimě 10km). Vozidlo bylo poměrně nízké, takže jezdec seděl
v úrovni výfuků ostatních vozidel a zároveň, což bylo ještě horší, bylo snadno přehlédnutelné
a jeho jízda v městském provozu tím pádem nebezpečná. K neúspěchu přispěla také
poměrně vysoká výrobní cena.
(a)
(b)
Obrázek 6 (a) Sinclair C5 mezi osobními vozidly; (b) konstrukce Sinclair C5 (13)
Celkově se Sinclairů vyrobilo asi 12 tisíc kusů a dnes jejich sběratelská hodnota
dosahuje v ojedinělých případech až 900£. Ačkoliv se jednalo o pokrokovou myšlenku
ekologické dopravy, pomineme-li fakt nedořešené bezpečnosti vozidla, nebylo v tehdejší
době ani možné realizovat úspěšně takový projekt, protože součásti, které se dnes běžně na
elektrokolech používají (baterie, nové modely pomaluběžných BLDC motorů), neexistovaly.
Zároveň je ale třeba uvést přínos vozidla, a tím je technologický vývoj v oblasti elektromobilů.
15
TWIKE – “TW“in b“IKE“ (Obrázek 7) je dvoumístné, kapotované tříkolé vozidlo pro dvě
osoby se zavazadlovým prostorem. Karoserie je vyrobena z plastů, nosný rám je hliníkový a
celková váha nenaloženého vozidla je 246 kg (s posádkou až 450kg). Poprvé bylo vozidlo
představeno v roce 1986 na World EXPO ve Vancouveru, v Kanadě skupinou švýcarských
studentů a získalo několik ocenění za design. TWIKE I byl kompletně poháněn lidskou silou.
Inspirováni úspěchem se tvůrci pustili do další verze vozidla, TWIKE II, které bylo vybaveno i
přídavným elektromotorem. Malosériová výroba TWIKE III byla zahájena v roce 1995, do
současnosti bylo prodáno přes900 vozidel převážně ve Švýcarsku a Německu, přičemž jejich
cena se pohybuje okolo 15.000USD (270 000Kč).
Obrázek 7: TWIKE v různém barevném provedení(14)
Výrobce TWIKE nabízí dva typy baterií: 3,3kWh NiCd nebo 6kWh LiIonMn, se kterými je
maximální dojezd až 200km (spotřeba je 3 – 8kWh/100km v závislosti na rychlosti a terénu).
Asynchronní motor má špičkový výkon 5kW/336V AC (dlouhodobý výkon 3kW) a maximální
udávaná rychlost je až 85kmh(14). Vozidlo je koncipováno jako paralelní hybrid (Obrázek 8),
pohon lidskou silou je tedy paralelně spolu s výkonem elektromotoru přenášen na hnací
osu,přičemž lidská síla se na výkonu vozidla uplatní do rychlosti řádově 30kmh. Pro
přenesení lidské síly na hřídel byla použita 5 stupňová bubnová přehazovačka (Obrázek 8 –
zelená součást)(15). Zvážíme-li fakta jako je rozsah rychlostí (až 85kmh)a hmotnost
naloženého vozidla (až 450kg) vyvstává otázka, do jaké míry je lidská síla ve vozidle TWIKE
skutečně používána.
Obrázek 8: Paralelní pohon vozidla TWIKE (14)
16
Zajímavostí ovládání TWIKE je řízení pomocí joysticku podobného joysticku v letadle.
Ovládání směrových světel, akceleraci i brzdění je zde umístěno na jedné páce a celé
vozidlo je možné ovládat jednou rukou.
Inspirujícím vozidlem je český HEPAV (Human Powered Electric Amphibious
Vehicle)zkonstruované panem Ing. Davidem Buchwaldkem(16) a představené v září 2009
(Obrázek 9).Jedná se o obojživelné vozidlo s pohonem lidskou silou a elektromotorem.
Vozidlo dále vyniká po designové stránce zdařile tvarovanou skořepinou a také tím, že
v sobě ukrývá i zřídka užívané technologie, neobvyklé pro HEH nebo HPV. Jednak je to
hydraulické řízení, jehož použitím je usnadněn nástup i výstup do vozidla a zajištěno přesné
řízení, nezávislé zavěšení předních kol, ale také neobvyklý lineární pohon namísto
klasickéhorotačního šlapání. Maximální rychlost je až 80kmh, váha vozidla bez baterií je
70kg, s bateriemi 110kg a sám autor na diskusních stránkách serveru nakole.cz (17) píše, že
rozjezd do mírného kopce je bez elektromotoru (o špičkovém výkonu 2kW, běžně dodává
800W) téměř nemyslitelný. Odhadovaný dojezd s příšlapem je až 100km.
Obrázek 9: České obojživelné vozidlo vlastní výroby (16)
Dosud jsme představili zástupce paralelních hybridních vozidel využívajících pohonu
lidskou silou v kombinaci s elektromotorem. Nyní uvedeme příklady sériových hybridů, které
v současnosti nejsou na trhu zastoupeny žádným výrobcem a jejichž vývojem se zabývají
některé studie univerzitních týmů v posledních letech. Vlastnosti a specifikace obou typů
pohonů rozebereme podrobněji v následující kapitole.
První zmínky o této variantě hybridního pohonu pocházejí z roku 1975 (Patent, 3 884
317, Augustus Kinzel). Nicméně hlouběji je zkoumán teprve od roku 1994, kdy Bernie
Macdonalds
a
Thomas
Müller
začali
experimentovat
s
moderními
bezkartáčovýmielektromotory (BLDC) s dostatečně silnými permanentními magnety, které
mohou být efektivně využity v SH. Výzkum tohoto typu vozidla byl spuštěn na Bern
University of Applied Sciences (BUAS) ve Švýcarsku v roce 1994, přičemž stavby reálných
modelů a jejich testy proběhly v letech 1997 a 1999(18). Jedním z realizovaných vozidel byla
šlapací tříkolka Leitra (Obrázek 10).
17
Obrázek 10: Tříkolka vybavená sériovým pohonem společně se svým autorem A. Fuchsem (18)(19)
Základním problémem, který bylo nutné vyřešit během stavby SH vozidla, byl
pomaluběžný BLDC generátor, který by byl vhodný pro lidský pohon, tedy umožňující
zatížení poměrně vysokým momentem při zachování přijatelných rozměrů a hmotnosti.
Hmotnost generátoru se snižuje se zvyšujícím se počtem otáček. Člověk je schopen
dlouhodobě vyvinout krouticí moment od 20 do 40Nm, s maximální, špičkovou kadencí
šlapání (otáček) 160(20). Elektromotory (BLDC) běžně používané v elektrokolech jsou
dimenzovány podle svého umístění (nejčastěji v náboji kola, tzv. hub motor, nebo sériově
před středovým složením kola, tzv. bottom bracket motor). Standardně tyto motory dodávají
moment do 10Nm8,vdobě realizace tedy neexistovalo mnoho řešení a nakonec byl využit
elektromotor společnosti Circlemotor. Autor tříkolky, A. Fuchs se dále podílel na dalším
vývoji generátoru, nicméně jeho komerční výroba je stále vizí budoucnosti. Poslední prototyp
(Obrázek 11) osazený na tříkolce Leitra umožňuje individuální nastavení momentu příšlapu a
váží 4,3kg včetně pedálů s převodovým poměrem 1:28.5.
Jízdní testy ukázaly, že takto vybavený SH je se svými parametry rovnocenným
soupeřem standardních PH, v některých případech se tato stavba ukázala efektivnější. Na
druhou stranu je třeba uvést, že SH vozidlo musí být vybaveno dvakrát až třikrát silnější
pohonnou jednotkou (trakčním motorem) než PH. Je to z důvodu toho, že je potřebný větší
moment při akceleraci vozidla nebo jízdě do kopce, protože veškerý hnací výkon je
zajišťován elektromotorem, zatímco u PH vozidla se na tomto výkonu podílí i sám jezdec.
Obrázek 11: Pedálový generátor 2004/05(18)(19)
8
Pokud se nejedná o kolo vybavené výkonnějším motorem, než povoluje Evropská norma pro elektrokola,
tedy nad 250W.
18
Druhým vozidlem realizovaným na stejné universitě byl Urban Quadracycle, realizovaný
J. Gilgenem. Jednalo se o čtyřkolé vozidlo vybavené dvěma hnacími elektromotory
v nábojích zadních kol (řešena byla i otázka elektronického diferenciálu). Do roku 2008 bylo
realizováno pouze 5 staveb SH vozidel.
Obrázek 12: Urban Quadracycle (18)(19)
Pozoruhodným vozidlem je produkt společnosti Human Car(21), založené vynálezcem,
profesorem Greenwoodem, které ke svému pohybu nepoužívá pedálů a řetězu jako
v předešlých případech, ale člověk vykonává pohyb podobný veslovaní na lodi. Vozidlo
s typovým označením Imagine PS (Obrázek 13) je vybavené čtyřmi dvojzvratnými pákami a
k pohonu používá mechanizmu jako některé železniční nemotorové drezíny. Experimentálně
bylo zjištěno, že posádka (4 lidé) může vozidlu dodávat výkon přibližně 800W,kterým jsou
pomocí 1kW generátoru(22) napájeny baterie nebo přímo dva elektromotory, které vozidlo
pohání. Pohotovostní hmotnost vozidla je 350kg včetně NiMH (Li-ion) baterií (100kg)
dodávajícím napětí 110V (AC). HumanCar dosahuje rychlosti až 100kmh, v kopcovitém
terénu výrobce udává až 50kmh. Detailní informace o použité trakční výzbroji výrobce na
svých stránkách neudává.
Obrázek 13: Konstrukce a koncept společnosti HumanCar – „veslovací vozidlo“(21)
19
2 Systém hybridního vozidla
V této kapitole uvedeme základní funkční koncepty9 paralelních a sériových hybridních
pohonů kombinujících pohon lidskou silou s elektromotorem a blíže popíšeme komponenty
Human-Electric Hybrid (HEH) vozidel.
2.1 Paralelní hybridní pohon
Pohon paralelního HEH vozidla je zajišťován kombinací síly vyvozené jezdcem
mechanicky přenesené pomocí řetězu nebo kardanové hřídele přímo na hnací ústrojí vozidla
zároveň, paralelně s elektromotorem (Obrázek 14).Přenos síly jezdce ke kolům je realizován
přes převodovku, tak aby byla optimalizována potřebná síla jezdce a frekvence otáček.
Obrázek 14: Paralelní hybridní pohon (23)
Výhodou paralelního pohonu oproti sériovému:
•
nepotřebuje tak výkonný trakční elektromotor, protože se jezdec (HP) přímo
mechanicky podílí na výkonu vozidla,
•
nepotřebuje generátor,
•
není třeba uchovávat tak velkou energii v bateriích nebo ultrakapacitorech,
snížení kapacity baterií znamená i snížení jejich hmotnosti,
•
eliminuje neúčinnost konverze energie z mechanické na elektrickou a z elektrické
na mechanickou.
Paralelní uspořádání pracuje v následujících pěti režimech (uvádíme v analogiis
kombinací spalovacího motoru ICE s elektromotorem):
•
Pouze pohon lidskou silou: je-li dodávaný výkon jezdce vyšší než požadovaný
(typicky jízda z kopce) a zároveň jsou baterie plně nabité(v angl. literatuře
9
Neuvádíme další možná uskupení hybridního pohonu označovaných jako Power split, Strigear nebo
uskupení, kdy ICE (v našem případě lidská síla) pohání přední nápravu a EM zadní.
20
peaking power source PPS) nebo je-li dosaženo maximální rychlosti, do které
ještě elektromotor muže přidávat výkon (nastavení kontroleru v závislosti na
legislativě).
•
Pohon pouze elektromotorem: v klasickém případě tato situace nastává
při nízkých rychlostech automobilu. V případě šlapacího vozidla tato situace
nastává ojediněle, pouze v případě požadavku jezdce sepnutím akcelerátoru.
V režimu s automatickým příšlapem (s využitím Pedal Assist System – PAS) toto
nenastane.
•
Hybridní režim: je-li požadovaný výkon vyšší, než je schopen vyvodit jezdec je
připojen i elektromotor. Typicky se jedná o většinu provozní doby HEH. Otázkou
zde zůstává, jak vysoký výkon má elektromotor dodávat. Nastávají dva případy:
o
Jezdec si sám určuje otočnou rukojetí akcelerátoru přidávaný výkon
elektromotoru dle potřeby (v angl. literatuře tzv.E-bike).
o
Řídící jednotka vozidla sama určuje přidávaný výkon buď v závislosti na
rychlosti vozidla, kadenci šlapání nebo na snímané hodnotě momentu
dodávaného jezdcem (v angl. literatuře tzv.Pedelec).
•
Regenerační brzdění: oproti běžným automobilům mají velomobily značně nižší
hmotnost a dosahuji mnohem nižších rychlostí. Zejména z důvodu nízké
hmotnosti není většina dnešních elektrokol, které tvoří drtivou většinu trhu s HEH,
touto funkcí vybavena. Výzkumy provedené na Fakultě Elektrotechniky ČVUT
ukázaly, že regeneračním brzděním lze u lehkých elektrických vozidel (LEV)
dosáhnout 10% úspory energie(24).
•
Nabíjení baterie (PPS charging): je-li požadovaný výkon nižší než dodává
samotný jezdec (např. jízda z kopce), elektromotor je možné přepnout do režimu
generátoru (elektromagnetické brzdy) a jezdec může dodávat energii baterii. Tato
varianta je v případě LEV značněnepravděpodobná a ani koncepce paralelního
lehkého HEH s ní nepočítá. Mohla by teoreticky nastat v případě, že by systém
umožňovalrekuperační brzdění a jezdec by zvyšoval výkon generátoru šlapáním
– urychloval by jízdu z kopce, ale ne za účelem rychlejší jízdy (řešení pomocí
regulovatelného bočníku, viz rovnice (11) a (12)).
2.2 Sériový hybridní pohon
Sériový hybridní pohon vznikl požadavkem na zvýšení dojezdu čistě elektrických vozidel
osazením ICE, resp. v našem případě využitím lidské síly (HP) za účelem dobíjení baterie,
resp. přímého dodání elektrické energie trakčnímu elektromotoru.
21
Vozidlo je poháněno pouze elektromotorem, který je napájen z úložiště elektrické
energie, typicky z baterií, případně ultrakapacitorů a/nebo z generátoru, který je v našem
případě poháněn lidskou silou (běžněji ICE). Je-li požadavek na výkon větší a dojde-li ke
zvýšení odběru proudu ze zdroje, je generátor přímo připojen k elektromotoru, aby vykryl
tento požadavek. V opačném případě generátor dobijí baterii. Výkon vozidla, stejně jako
akcelerace, stoupavost, maximální rychlost je dána pouze charakteristikami trakčního
elektromotoru.
Topologie SH pohonu je uvedena na Obrázek 15. Neexistuje zde žádná přímá
mechanická vazba mezi motorem, resp. HP (lidskou silou) a hnanou osou. Výhodami jsou:
•
Možnost připojení / odpojení motoru (ICE, HP) bez nutnosti použití spojky.
•
ICE, resp. HP může být umístěn téměř kdekoliv a není třeba řešit mechanický
přenos momentu na hnanou osu.
•
ICE, resp. HP pohánějící generátor může pracovat v optimálních otáčkách.10
Obrázek 15: Sériový hybridní pohon (23)
Sériové uspořádání pracuje v následujících režimech (uvádíme v analogii s kombinací
spalovacího motoru ICE s elektromotorem):
•
Hybridní pohon: je-li požadován vysoký výkon, generátor i baterie jsou přímo
připojeny k trakčnímu elektromotoru G/M, přičemž ICE, resp. HP pracují na svém
optimu.
•
Dodávka energie pouze z baterií.
•
Dodávka energie trakčnímu motoru z generátoru poháněného motorem ICE,
resp. HP– nejčastější případ pro HEH za účelem maximalizace efektivity
systému(25).
•
Dobíjení baterií generátorem: zejména klesne-li hodnota napětí na baterii pod
určitou úroveň, je nutnésepnout dobíjení z generátoru (regenerativní brzdění
většinou nepostačuje), aby nedošlo k odpojení baterií od trakčního motoru. BMS,
resp. kontroler chrání baterii před úplným vybitím odpojením,abyzachoval její
10
Pro úplnost uveďme, že v dnešní době jsou dostupné i kontinuální převodovky CVT, které umožní chod
motoru v optimálním režimu a to i pro lehká elektrická vozidla, resp. Lehká HEH.
22
životnost. V případě využití HP je ale třeba upozornit na fakt, že generátor musí
mít vyšší napětí, než je napětí zdroje, což při stejném výkonu člověka vede ke
snížení generovaného proudu a snížení rychlosti nabíjení.
•
Regenerativní brzdění: trakční motor je přepnut do režimu generátoru. Samotný
chemický proces, kdy baterie přechází z režimu vybíjení do režimu nabíjení, trvá
určitý čas v závislosti na typu baterie11. Regenerace lze také využít pro nabití
ultra-kapacitorů.
V případě lehkých sériových HEH se nejčastěji vyskytuje kombinace variant dodávání
energie ze šlapacího generátoru trakčnímu elektromotoru, přičemž dostatečný výkon je
zajišťován dodáváním proudu z baterií. Trakční elektromotor bývá řádově dvakrát silnější než
u paralelního systému.
Jak bylo uvedeno, nevýhodou SH přístupu je konverze energie z mechanické na
elektrickou a naopak. SH pohon je ale vhodnýpro užití ve vozidlech, kde se předpokládají
velmi časté akcelerace, kdy vykazuje vysokou efektivitu v porovnání s ICE. Nevýhodou je
nutnost uchovávat poměrně velké množství energie v bateriích, což zvyšuje hmotnost
vozidla, snižuje jeho výkon při kontinuální jízděa zároveňprodražuje jeho výrobu.
2.3 Komponenty hybridního systému s pohonem lidskou silou
2.3.1
Pohon lidskou silou, specifikace
Člověk je schopen stabilně, dlouhodobě (v řádech hodin) dodávat výkon od 75 do 200W
(20)v závislosti na kondici, věku apod. Takový výkon je dostatečný pro dosažení průměrné
rychlosti 15 až 20km/h v rovinatém terénu. V případě jízdy do kopce nebo proti větru,může
být požadovaný výkon i několikanásobněvyšší.
Na univerzitěVUB University of Brussels byl proveden standardní zátěžový test
člověka12(20), ve kterém byla měřena závislost tepové frekvence na generovaném výkonu a
zároveň závislost krevního tlaku na tepové frekvenci. Test byl proveden na rotopedu,
kterýautomaticky každé tři minuty zvyšoval odpor proti šlapání jezdce a tím zvyšoval
požadavek na jeho výkon, přičemž frekvence šlapání zůstávala konstantní, 90ot/s. Výsledky
testu jsou znázorněny na Obrázek 16. Lineární závislost v prvním grafu, která se láme mezi
160 a 200W, značí generování výkonu v tzv. aerobním režimu13 a vysvětluje výšeuvedenou
hodnotu výkonu dlouhodobě dodávaného lidskou silou, 200W. Při vyšší tepové frekvenci než
11
Vysokou dynamiku v tomto smyslu vykazují např. baterie NiMH, naproti tomu olověné baterie nejsou pro
tento účel příliš vhodné.
12
Muž, váha 88kg, výška 1,92m, BMI=23.9.
13
V aerobnim rezimu se tepova frekvence cloveka pohybuje do 70% jeho maximalni hodnoty, nedochazi k
produkci kyseliny mlecne ve svalech, svaly se neunavuji tak rychle, jako pri rezimu anaerobnim – bez pritomnosti
kysliku.
23
180 sledujeme vysoký nárůst tvorby laktátu (kyseliny mléčné), člověk pracuje v anaerobním
režimu.
(a)
(b)
Obrázek 16(a) závislost tepové frekvence na odevzdávaném výkonu; (b)vznik kyseliny mléčné v závislosti
na tepové frekvenci(20)
Abychom získali ještě bližší pohled na pracovní oblast člověka, definujeme maximální
hodnoty momentu, který je člověk schopen během jízdy na kole vyvodit a jeho maximalní
kadenci (20). Pro stanovení momentu vyjdeme z předpokladu hmotnosti jezdce (např.
100kg), který ve stoji zabírá do pedálu. Síla, kterou působína pedál, je navýšena o cca 200N,
což je síla, kterou se jezdec přitahuje k řidítkům. Nejčastějšídélka kliky pedálu je 17cm.
Dostáváme:
· · · 200
kde G je tíha jezdce, F je síla přitažení k řidítkům a r je rameno, na kterém výsledná síla
působí. Vzhledem k pulzujícímu charakteru momentu, udíleného lidskou silou (šlapání) je
maximální hodnota momentu stanovena na 115Nm. Maximální počet otáček je 160, což je
v běžných podmínkách hodnota poměrně stěží dosažitelná, stejně jako výkon člověka nad
300W. Uvedené limity nicméně použijeme pro vykreslení pracovní oblasti člověka (Obrázek
17), které se využívá při návrhu převodového ústrojíjízdních kol nebo při určení
požadovaných charakteristik BLDC generátoru použitelného v SH.
Obrázek 17: Pracovní oblast člověka, závislost vyvozeného momentu na otáčkách (20)
24
Hodnota optimální kadence modelovaná pro dosažení výkonu 200W leží podle modelu
uvedeného v (26)a odvozeného v (27)v rozmezí hodnot 95 až 100ot/min, na obrázku je
vyznačena zeleným polem. V uvedeném rozmezí otáček jezdí také většina profesionálních
cyklistů.
2.3.2
Elektromotor
Druhou klíčovou komponentou HEH je elektromotor; v této části přiblížíme obecný
princip elektromotoru, počínaje nejjednodušším kartáčovým DC motorem, který nevyžaduje
další zvláštní elektroniku pro řízení, uvedeme také princip v dnešní době velmi často
používaného
BLDC
(bezkartáčového)
motoru
s permanentními
magnety.
Princip
stejnosměrného motoru bude uveden podrobněji s ohledem na to, že byl použit při stavbě
vozidla a také proto, že na lehkých elektrických vozidlech se jako zdroje nejčastěji používají
baterie (DC). Okrajově uvedeme motory založené na indukčním principu, tedy asynchronní
motory napájené střídavým (AC)zdrojem, ačkoli i v případě BLDC motorů dochází
k „rozstřídání“ pomocí měniče (invertoru), jehož obvod zásadně neprodražuje jejich
nasazení.
Možnosti umístění elektromotoru14 jsou diskutovány v následující kapitole, popisující
návrh konstrukce vozidla. V závislosti na jejich umístění se liší i jejich konstrukce zajišťující
vhodný převodový poměr hnacího momentu. Konstrukce motorů využívá planetové
převodovky, čelního ozubení nebo šnekového ozubení apod. Vzhledem k velké variabilitě
konstrukcí motoru není tato oblast v práci podrobně rozepsána, soustředíme se pouze na
vysvětlení základních principů.
2.3.2.1 Kartáčový stejnosměrný elektromotor
Klasický DC motor s permanentními magnety a kartáči je uveden na Obrázek 18, jedná
se o zjednodušený model s jednou cívkou.
Proud teče kartáčem X a polo-prstencem komutátoru A přes cívku (v obrázku je
naznačena jednoduchou tlustou čarou, ve skutečnosti se jedná o smyčku s n závity) a ven
pak druhou částí komutátoru B a kartáčem Y (XABY). Vedení proudu cívkou v blízkosti
magnetů způsobuje, že se v ní generuje síla, která, jak je naznačeno na obrázku, na jedné
straně působí vzhůru, na druhé obráceně (obrácený směr proudu). Tyto dvě síly způsobí
natáčení cívky v magnetickém poli spolu s komutátorem. Vyvozený moment otáčí cívkou s
komutátorem i v poloze, kdy kartáče nejsou ve styku s vodiči. Po otočení o 180° op ět dojde
ke kontaktu kartáčů s vodiči a proud prochází tentokrát cestou XBAY. Tento směr je sice
obrácený směru v předešlém kroku, ale relativně, vůči magnetům, je stejný, což způsobí
opětovné vyvolání sil a rotaci.
14
Nejčastěji: bottom bracket – midle mottor, rear hub, front hub.
25
Obrázek 18: Vysvětlení principu DC motoru s permanentními magnety (28)
Uveďme ještě několik zpřesňujících skutečností k vysvětlenému principu:
Rotující cívka (také tzv. kotva) je navinuta okolo kusu železa (jádra), přičemž
důraz je kladen na minimální mezeru mezi cívkou a magnety, která by oslabila
vzájemné magnetické pole.
Většinou se používá více než jedna rotační cívka, komutátor tedy neobsahuje jen
dva segmenty, jako je uvedeno na obrázku, ale hned několik segmentů –
přesněji, dvojnásobek počtu cívek.
Každá cívka je tvořena vysokým počtem závitů, což způsobí nárůst sil
způsobujících rotaci.
Obvykle se používá více než jednoho páru magnetů, což opět způsobí nárůst sil
způsobujících rotaci.
Pro úplnost popíšeme ještě postup stanovení momentové charakteristiky DC motoru.
Jestliže vedení cívky má délku l[m] a vede proud I [A] v magnetickém poli s magnetickou
indukcíB [Wb·m-2], je velikost síly způsobující rotaci dána rovnicí(Electromotor Force – EMF):
(1)
Obrázek 19: Čtyř-pólový DC motor, čárkované čáry ukazují směr toku proudu, konvence směru vedení
proudu (28)
Jestliže poloměr cívky je r a kotva vykoná n otáček, je celkový moment motoru Mdán
rovnicí:
26
2
(2)
Termín 2 plocha můžeme nahradit celkovým proudovým tokem Φ, dostáváme:
(3)
Uvedená rovnice představuje vztah pro špičkový moment motoru v ideálním případě, kdy
je cívka plně protékána a nezahrnuje např. možnost více pólů magnetu. Zavádíme proto tzv.
motorovou konstantu Km, jejíž hodnota závisí na počtu závitů cívky rotoru N, na počtu
magnetických pólů motorup a na počtu párů tzv. paralelních větví a, podle vztahu .
Rovnici (3) tedy přepíšeme do tvaru:
Vidíme,
že
moment
vyvozený
(4)
motorem
je
přímo
úměrný
proudu
Iprocházejícímurotorem(kotvou), který je závislý na napětí zdroje Es a na vlastním odporu
cívky na kotvěRa. Bude-li se kotva otáčet v magnetickém poli, bude se motor chovat jako
generátor, resp. dynamo a generované napětí bude odpovídat následujícímu vztahu:
(5)
Tato rovnice je známá také jako rovnice generátoru a udává velikost generovaného
napětí. Indukované napětí Uizávisí na rychlosti otáčení cívky v magnetickém poli danou
úhlovou rychlostí ω a poloměrem otáčení r. Kotva má dvě strany a vykoná celkem n otáček;
dostáváme:
2
(6)
Porovnáním s rovnicí (2) můžeme i rovnici (6)ze stejných důvodů zjednodušit:
(7)
Generované napětí Ui oponuje napětí zdroje Us a redukuje velikost proudu v motoru.
Čistá hodnota na kotvě pak představuje rozdíl mezi napětím zdroje Us a generovaným
napětím Ui. Proud na kotvě má tedy hodnotu:
! " !
"
(8)
Z rovnice je patrné, že proud klesá s rostoucí úhlovou rychlostí. Pro úplnost můžeme tuto
rovnici dosadit do rovnice (4), která vztahuje úhlovou rychlost a moment:
!
"
#
(9)
Uvedený vztah ukazuje, že moment tohoto typu motoru je maximální v případě nulové
rychlosti rotoru a klesá se stoupající rychlostí, přičemž zanedbáváme ztráty vznikající třením
27
kartáčů komutátoru, tření v ložiscích a odporu vzduchu. Vyneseme-li do grafu závislost
momentu na rychlosti (Obrázek 20), získáme lineární závislost, která popisuje i poměrně
jednoduché řízení elektromotoru. DC elektromotor je dále možné řídit magnetickým tokem Φ,
nicméně tuto možnost dále nepopisujeme.
Obrázek 20: Závislost momentu na rychlosti (28)
Jak bylo uvedeno, elektromotor lze využít i jako generátor elektrické energie či
elektrodynamické brzdy. Na Obrázek 21 je motor propojen s baterií se zanedbatelně malým
vnitřním odporem a napětím Es. Po dosažení rovnovážného stavu bude motor poskytovat
moment T při rychlosti otáčení rotoru ω podle rovnice (9).
Obrázek 21: Obvod pro zapojení motoru s odporem pro využití elektrodynamické brzdy (28)
Přepneme-li přepínač doprava, motor bude pokračovat se stejnou úhlovou rychlostí a
bude generovat napětí podle vztahu (7). Toto napětí se projeví na odporu RL, zvanému
bočník, velikost proudu bude limitována vlastním odporem kotvy Ra (otáčející se cívky):
$
(10)
Tento proud generovaný elektromotorem způsobí negativní moment, který postupně
zastaví motor. Výsledný moment tedy bude:
"
# $
28
(11)
Hodnotu záporného – brzdícího momentu můžeme kontrolovat změnou odporu RL,
bočníkem a tento jev nazýváme dynamickým brzděním, resp. elektrodynamickou brzdou.
Kinetická energie motoru a de facto celého vozidla se mění na teplo. První výhodou proti
mechanické brzdě je, že můžeme kontrolovat, kde se teplo bude vyzařovat. Druhou,
mnohem podstatnější výhodou je možnost generovanou elektrickou energii opět uložit do
baterií nebo kapacitoru. Pak takový systém brzdění nazýváme regenerativní brzdou.
Poznamenejme ale, že prosté spojení baterie a elektromotoru není příliš praktické.
Uvažujeme-li napětí na baterii Ub a rychlost otáčení motoru ω, proud I, který poteče
z motoru, bude dán následující rovnicí:
" %
(12)
Zpomalující moment je přímo úměrný tomuto proudu, takže jakmile hodnota ω poklesne
tak, že výsledné generované napětí ( ) je rovno napětí na baterii, brzdný efekt vymizí.
Z toho důvodu se v praxi používá obvod s DC/DC měničem, který za požadavku brzdění
zvýší generované napětí a sníží proud tekoucí z motoru, takže dobíjení probíhá stále právě
tak jako brzdění ačkoli generované napětí je nižší než napětí na baterii.
2.3.2.2 BLDC motory
V předcházející sekci byl vysvětlen princip stejnosměrného motoru s komutátorem, jehož
slabinou je jiskření vznikající otáčením kartáčů komutátoru a nutnost údržby. Druhým
problémem, rovněž zmíněným v souvislosti s elektrodynamickým, resp. rekuperačním
brzděním je zahřívání, protože k němu dochází ve středu motoru, což znesnadňuje jeho
chlazení. Pokud by totiž motor byl navržen tak, aby se zahříval na svém vnějším plášti, bylo
by možné jej mnohem efektivněji chladit a to by umožnilo podstatné zmenšení jeho rozměrů
a snížení hmotnosti. Eliminujeme-li využití kartáčů, bude to jen výhodou, protože dojde i ke
zvýšení životnosti motoru.
Existují
tři
varianty
elektromotorů
navržené
podle
výše
uvedených
aspektů:
bezkartáčovýstejnosměrný motor (BrushLess DC Motor – BLDC), spínaný reluktanční motor
(Switched Reluctance Motor – SRM) a indukční motor (Induction motor). Blíže se
zmínímejen BLDC motor, který v poslední době takřka ovládl trh s elektrokoly.
Oproti standardnímu DC motoru je vinutí BLDC motoru umístěno na statoru a rotor je
tvořen permanentními magnety. Jedná se ve své podstatě o střídavý (AC) motor, který
řídíme přepínáním polarity proudu tak, že ve vinutístatoru teče střídavý proud. Poloha
přepínání se řídí buď optočleny, nebo pomocí Hallových sond. Princip motoru je znázorněn
na Obrázek 22.
29
Obrázek 22: Princip bezkartáčového DC motoru (28)
Nejprve proud teče ve směru tak, že způsobí otočení rotoru ve směru hodinových
ručiček. Na druhém obrázku se rotor otáčí kolem pólů vlivem svého momentu a proud na
statoru je vypnutý. Na posledním obrázku opět statorem protéká proud, ale obráceným
směrem. Toto přepnutí zajišťujeinvertor vybavený mikrokontrolerem, který pomocí čidel
(typicky Hallových sond) vyhodnocuje pozici rotoru. K jejich masovému rozšíření v oblasti
LEV dochází až od 90. let minulého století.
Pokud by stator motoru byl osazen pouze jednou cívkou, nastane problémvelmi
nestabilní hodnoty hnacího momentu. Proto se reálně do motoru umísťuje více cívek,
nejčastěji tři zapojené do hvězdy, ačkoli obecně lze vytvořit m-fází. Na Obrázek 23je uveden
příklad BLDC motoru se třemi cívkami A, B, C. Je-li rotor polohován mezi póly B, resp. C,
bude zapojena cívka B, resp. C. Podobně jako stator, i rotor má v praxi více pólů než dva.
Obrázek 23: Uspořádání BLDC motoru se třemi cívkami (28)
2.3.3
Baterie
Jako zdroje napájení LEV se nejčastěji používají baterie, které ukládají elektrickou
energii jako potenciální chemickou energii. Každá baterie obsahuje dvě elektrody (kovové
plíšky), jednu elektricky pozitivní (katoda), druhou negativní (anoda) a elektrolyt, který je
mezi nimi. Její vybíjení a nabíjení je chemický proces mezi elektrodami a elektrolytem.
V poslední době jsou vyvíjeny také technologie ultrakapacitorů, které jsou ve velmi krátkém
čase schopny adsorbovat a uložit velké množství energie např. při brzdění a stejně rychle ji
dodat při akceleraci. Jedná se ale stále o poměrně nákladné vybavení, které se používá v
závodních speciálech a jejich využití jako zdroje, se předpokládá spíše jako doplnění baterií
30
pro vykrývání excesů napěťových špiček. Jinou variantou, jejíž princip byl popsán již kolem
roku 1840, jsou palivové články. Jedná se v podstatě o galvanický článek, k jehož anodě je
přiváděno palivo (např. vodík, uhlovodíky, alkoholy) a jeho katodě okysličovadlo (kyslík,
chlór, oxid chloričitý). Zatímco elektrody v bateriích jsou opotřebovávány, v palivovém článku
jsou elektrody katalyticky i relativně stabilní, takže mohou operovat nepřetržitě, pokud se
nepřeruší přívod paliva nebo okysličovadla.
V dalším textu stručně popíšeme důležité parametry baterií používaných nejčastěji pro
pohon LEV a HEH. Podkapitolu uzavřeme srovnávací tabulkou významných charakteristik
baterií podle jejich typu.
Parametry baterií
Množství energie uložené v baterii je vyjádřeno v Ampér-hodinách (Ah) a určuje kapacitu
baterie. Výrobce většinou uvádí tuto kapacitu vzhledem k vybíjecímu proudu (Obrázek 24a).
Např. vybíjecí proud cca 1A bude baterie schopna dodávat 10h, tedy kapacita baterie bude
1 · 10 10'(.
Jak je vidět, vyšší proudy způspbí rychlejší vybití baterie. Battery Managemetn System
(BMS), který je implementován ve většině kontrolerů, které jsou navrženy pro práci se
specifickými typy baterií, odpojí baterii, klesneli její napětí pod určitou úroveň (Obrázek 24b),
aby nedošlo k jejímu poškození (Cut-off voltage).
(a)
(b)
Obrázek 24(a)Odlišné vybíjecí proudy, vybíjecí charakteristika SLA baterie (viz příloha na CD, materiál od
výrobce), (b)Konstantní vybíjení typické baterie (23)
Chceme-li porovnávat baterie mezi sebou, používáme nejčastěji dalších dvou parametrů,
měrné kapacity (specific energy) a měrného výkonu(specific power). Měrná kapacita je
definována jako poměr energie baterie a její hmotnosti(Wh/kg). Měrný výkon je definován
jako maximální dodávaný výkon (po krátký čas) vztažený na jednotku hmotnosti nebo
objemu(W/kg). Tato vlastnost baterie je značně závislá na vnitřním odporu baterie, vyšší
vnitřní odpor baterie snižuje maximální dodávaný výkon.
31
Dalším důležitým parametrem je životnost baterie vyjádřená v cyklech, kde cyklem
rozumíme plné nabití a vybití. S rostoucím počtem cyklů se snižuje kapacita baterie, začne
se zvyšovat vnitřní odpor a zvýší se i poměr samovybíjení baterie. Např. u olověných (SLA)
baterií platí, že čím hlouběji jsou během jednotlivých cyklů vybíjeny, tím rychleji dochází
k těmto změnám. Za konec životnosti baterie považujeme stav, kdy její kapacita poklesne na
70 až 80% nominální hodnoty. Počty cyklů jsou uváděny pro užití v laboratorních
podmínkách. V praxi se počet cyklů může výrazně měnit v závislosti na skutečných
provozních podmínkách. Uvedené parametry jsou většinou uváděny pro teplotu 25°C p ři
dodržení nabíjecích a vybíjecích charakteristik a především hodnot definovaného koncového
napětí a maximálního napětí pro nabíjení.
Vybrané typy baterií
Olověné baterie (SLA – Sealed Lead-Acid)
Jedná se o technologii používanou přibližně 150 let, v důsledku toho je i jejich výroba
detailně propracována, což vede k nízkým výrobním a tedy i k nízké pořizovací ceně, vysoké
provozní účinnosti a provozní spolehlivosti. Nevýhodou je nízká měrná kapacita, nižší
maximální nabíjecí proudy, které by urychlily jejich opětovné nabití a skutečnost, že materiál
elektrod je toxický.
Principielně je olověná baterie založená na chemické reakci (vybíjení), kterou lze popsat
touto rovnicí (reakce na katodě a anodě):
PbO2+2H2SO4 + Pb → PbSO4 + 2H2O + PbSO4
Pb + H2SO4 → PbSO4 + H2
Baterie dělíme na tzv. trakční a startovací podle konstrukce elektrod. Trakční baterie
používají silné desky elektrod a také elektrolyt s větší hustotou, což umožňuje hluboké
ukládání energie uvnitř desek, která se poté uvolňuje během pomalého vybíjení (až 60%
kapacity). Naproti tomu startovací baterie (používané v automobilech), jsou navrženy tak,
aby během krátkého okamžiku dodaly maximum energie. Během startování se baterie vybije
přibližně z 3%, z čehož vyplývá, že při jejím použití v aplikaci s hloubkovým cyklem, klesá
významně její životnost.
Lithium Ion (Li-ion)
Poměrně nová technologie uvedená na trh teprve v 90. letech minulého století15, jejíž
vývoj se stále ještě zdokonaluje a jeví se jako velmi perspektivní právě pro napájení vozidel.
Hlavní jejich výhodou je vysoká měrná kapacita (řádově 3x vyšší oproti SLA) a to díky využití
lehkého lithia. Baterie má poměrně nízký koeficient samovybíjení a rovněž počet cyklů se
15
První pokusy prováděl G. N. Lewis již v roce 1912, po roce 1960 vývoj v laboratořích Bell.
32
pohybuje kolem 1000 v závislosti na frekvenci a hloubce vybíjení. Lithium je vysoce reaktivní
se vzduchem, při případné havárii hrozí nebezpečí výbuchu, což je problém bránící jejich
masovému nasazení do elektromobilů, kde se nejčastěji nyní používají NiMH.
Elektrolyt je složen z vodivé soli (např. LiPF6) a rozpouštědla, pro něž se používají směsi
etylenu, propylenu nebo metalkarbonátu. Při nabíjení a vybíjení přecházejí ionty Li+
od kladné elektrody k záporné, což lze vyjádřit pomocí chemické rovnice:
Li0,5CoO2 + Li0,5C6↔ C6 + LiCoO2
Z rovnice lze určit, že materiál anody je tvořen uhlíkovou matricí, která reaguje (přijímá a
uvolňuje) ionty lithia a materiálem katody jsou sloučeniny LiCoO2 (případně také LiMn2O4
nebo LiNiO2).
Baterie je velmi náchylná na přebytí, z toho důvodu je v každé běžně prodávané baterii
(battery pack) čip, který hlídá její stav a kontroluje průběh nabíjení.
Lithium Polymer (Li-pol)
Li-pol baterie jsou komerčně využívané baterie s jednou z nejlepších měrných kapacit a
vynikající životností. Oproti Li-ion bateriím se liší v použitém elektrolytu, který je gelový
(pevný), což zjednodušuje článek tím, že nemusí být použit separátor. Lze tak vyrobit i
extrémně ploché články (až 0,2mm), díky čemuž se používají například v tenkých
noteboocích nebo miniaturních kamerách. Baterie mají stejně jako Li-ion velmi nízké
samovybíjení, ale jsou citlivé na přesné nabíjení. Proto je třeba pro jejich nabíjení používat
nabíječky doporučené výrobcem, které jsou ale většinou několikrát dražší než nabíječky pro
SLA.
Lithium železo fosfát (LiFePO4)
Jedná se o poslední vývojový typ baterií vyráběných na bázi lithium železo fosfátu
(LiFePO4), materiálu, ze kterého je vyrobena katoda. Anoda je jako u ostatních lithiových
baterií vyrobena z uhlíku nebo jeho sloučenin. LiFePO4 technologie je zajímavá hlavně díky
nízkým výrobním nákladům, ačkoliv na českém trhu je stále cenově poněkud náročná, jak
ukáže tabulka uvedená v kapitole popisující realizaci vozidla. Další výhodou je, že je zcela
netoxická (na rozdíl od klasických li-ion) a má výjimečnou teplotní stabilitu (nevybuchuje ani
za extrémních podmínek).Na druhou stranu má nižší hustotu energie (měrnou kapacitu) ve
srovnání s jinými Li bateriemi. Díky uvedeným vlastnostem je velmi vhodná pro aplikaci
v dopravních prostředcích, včetně LEV a HEH.
Závěrem této části uvedeme tabulku srovnávající nejdůležitější charakteristiky nejčastěji
používaných typů baterií (Tabulka 1). Uvedené hodnoty jsou hodnoty špičkové, dosahované
v laboratorních podmínkách; rozsahy hodnot mohou být v řádech desítek procent, což je
33
dáno variabilitou konstrukce baterie (viz trakční a startovací olověná baterie). Tabulka tak
podává jen základní přehled a srovnání.
Měrná kapacita Měrný výkon Počet cyklů
[Wh/kg]
[W/kg]
n
Typ baterie
Lead-Acid (SLA)
Nickel-Metal Hydride
(NiMH)
Nickel-Cadmium
(NiCd)
Lithium ion
(Li-ion)
Lithium Polymer
(Li-pol)
LiFePO4
Samovybíjení
[% za den]
25 až 35
až 250
až 800
max. 2%
až 65
200
až 1000
až 5% - vysoké
40 až 55
až 125
až 1200
90
300
až 1000
130 až 200
100 to 315
přes 1000
až 120
až 400
2000
0,5% - velmi nízké
méně než 10%
za měsíc
méně než 10%
za měsíc
méně než 10%
za měsíc
Dobíjecí čas
[h]
8h, ale je možné až
90% za 1h
1h, rychlonabíjení:
60% za 20min.
1h, rychlonabíjení:
60% za 20min.
2 - 3h
--16
Tabulka 1: Srovnání nejčastěji používaných baterií v aplikacích LEV, HEH (28)
2.3.4
Ovládací prvky
Z pohledu ovládání můžeme elektrokola, potažmo tedy i současné paralelní HEH vozidla
rozdělit na tzv. e-biky a pedelecy (Pedal/Electric Assisted Bike). Oficiálně se jedná o dvě
rozdílné kategorie dopravních prostředků, které se liší způsobem ovládání elektromotoru:
•
Pedelec: motor přidává výkon pouze v případě, že je detekování šlapání jezdce
pomocí senzoru příšlapu, (Pedal Assist System – PAS).
•
E-bike: motor přidává výkon na základě požadavku jezdce polohou otočné
rukojeti (handlebar throttle), podobně jako na motorce.
Většina ovládacích jednotek ale podporuje oba dva režimy najednou, takže rozdíl není
tolik markantní.
Senzor PAS
Senzor příšlapu dává kontroleru (pokud kontroler tuto funkci podporuje) informaci o tom,
že jezdec šlape. Kontroler pak automaticky přidává výkon motoru, aniž by jezdec používal
akcelerátor. Používají se dva typy asistenčních systémů. První z nich, jednodušší (Obrázek
25), měří pouze rychlost otáčení klik. Druhý snímá navíc i moment vyvozený šlapáním
jezdce. Kontroler vyhodnotí tyto údaje, určí výkon podávaný jezdcem a na základě interního
programu určí, jak velký moment má dodávat přídavný motor.
16
Příklady použití NiMH baterie: Toyota RAV4-EV, Toyota Prius, Chrysler Epic, Honda EV
34
(a)
(b)
(c)
Obrázek 25 (a) (b): PAS – snímání rychlosti otáčení klik(29); (c) PAS – snímání momentu (30)
Kontroler
Závěrem uvedeme nejčastější funkce kontroleru používaných na elektrokolech:
Ovládání motoru (v případě BLDC se jedná o invertor, viz výše)
Komunikace se senzorem příšlapu, vyhodnocení požadovaného výkonu
Odpojení motoru při sepnutí brzd nebo při dosažení stanovené rychlosti (podle
směrnice EU)
Ochrana baterií před podvybitím (odpojení motoru při poklesu napětí pod určitou
úroveň)
Rekuperace (méně častá funkce)
35
3 Návrh vozidla
Cílem projektu je konstrukční řešení a stavba jednomístného lehkého dvoustopého
vozidla kombinujícího pohon lidskou silou s elektromotorem, v anglickém textu označovaném
jako Human-Electro Hybrid (HEH). V této kapitole popíšeme proces vývoje a varianty
řešeníněkterých problémů souvisejících se samotnou realizací.
3.1 Globální požadavky na konstrukci, specifikace zadání
Vozidlo je navrhováno jako dopravní prostředek určený převážně pro rekreačníúčely
(vzhledem ke svým rozměrům se nepředpokládá např. denní dojíždění do práce, i když i to je
možné), které je schopno překonávat relativně dlouhé trasy rychlostí srovnatelnou s běžným
jízdním kolem nebo vyšší. Tomu musí odpovídat jednak jeho ergonomie, ale také výkon
elektromotoru a kapacita baterií, zaručující dostatečný dojezd. Dimenzování jednotlivých
komponent je podrobněji popsáno dále.
Navrhované vozidlo musí splňovat legislativní požadavky stanovené vyhláškou
Ministerstva dopravy a spojů c 341/2002sb., přílohy č. 13 – Silniční nemotorová vozidla,
jízdní kola, pro které není třeba řidičského oprávnění. Zjednodušeně se podle této vyhlášky
za takové vozidlo povazuje dopravní prostředek s libovolným počtem kol (tedy i 4),
maximálníšířkou do jednoho metru, řádně osvětlené (světlo musí být umístěno nejdále 400
mm od jeho obou okrajů). Technická způsobilost těchto vozidel se podle článku 71,
informačního dokumentu Ministerstva dopravy a spojů, neschvaluje.
Další parametry pro návrh konstrukce a trakčního vybavení:
•
relativnícenovánenáročnost konstrukce,
•
poloměr otáčení méně než 5m,
•
nízká váha konstrukce (uvažujeme hliníkový rám),
•
dosažení dostatečné cestovní rychlosti (25km/h) a tomu odpovídající výkon
přídavné trakční výbavy,
•
dojezd 50km,
•
příméřízení (pomocí volantu).
3.2 Konstrukční řešení
3.2.1
Rám, podvozek
Konstrukce se čtyřmi koly vyžaduje řešení negativního působení krouticího momentu na
rám vyvozeného přejížděním nerovností přední, resp. zadní nápravou. V případě lehkého
šlapacího vozidla je možné uvažovat dostatečně tuhýrám, hrozí ale nebezpečí, že při
kritickém požadavku brzdění nebudou všechna kola v kontaktu s povrchem a tím se sníží
36
účinnost brzd. Jinou možností je osadit rám roštem (čepem) umožňujícím naklápění přední,
resp. zadní nápravy, či vozidlo odpružit například nápravami typu MacPherson. Z cenového
hlediska a hlediska trvanlivosti volíme prostřední variantu konstrukce.
Rám vozidla je navržen jako svařenec z hliníkových obdélníkových profilů (Obrázek 26).
Základ konstrukce tvoří podélný profil o délce 1700mm, který je v zadní části spojenpod
úhlem 70° s profilem zádového op ěradla sedla (dále nosný rám). Nosný rám je v přední části
zakončen čepem, na kterém je umístěna přední naklápěcí náprava. Takové uložení přední
nápravy vede ke snížení krouticího momentu působícího na čep umístěný v zadní části
nosného rámu na dolní straně, který spojuje podélný rám se zadní nápravou při najetí na
povrchovou nerovnost. Zadní náprava je odpružená pomocí jednoho středového tlumiče a
zahrnuje pouzdra pro dvě zadní nezávisle hnané poloosy.Na nosném rámu je dále upevněna
vzpěra s vodícím pouzdrem řídící tyče, druhá vzpěra se středovým složením a druhým
vodícím pouzdrem řídící tyče a konečně uložení řídící tyče. V zadní části jsou umístěny
lyžiny umožňující polohování, posouvání skořepinového sedla v horizontálním směru.
Obrázek 26: Nosný rám vozidla [autor]
3.2.2
Ergonomie
Pro maximální výkon jezdce je rozhodujícím parametrem jeho poloha, při které je
schopen dlouhodoběpodávat vysoký výkon.Studie (31) uveřejněná vHuman Power eJournal
shrnuje dosavadní poznání o interakci jezdce se strojem během šlapání. Výsledná síla
37
člověka závisí na pozici jeho boků, délce klik s pedály, úhly pod kolenem během šlapání a
frekvenci šlapání.V (32) byla zkoumána závislost podávaného výkonu jezdce na poloze
sedla vůči pedálům17, přičemž bylo zjištěno, že maximálního výkonu se dosahuje při pozici,
kdy stehenní kost svírá s vertikální kolmicí středového složení 75°, jak ukazuje Obrázek 27.
V důsledku požadavku na nízké těžiště realizovaného vozidla uvedená poloha zcela
neodpovídá, ale rozdíl je akceptovatelný.
Obrázek 27: Aparatura pro měřenízávislost výkonu jezdce na pozici pedálů (úhel 75°) (31)
Sedlo tvořískořepina přesně tvarovaná podle profilu zad určená pro osoby s výškou 180
až 190cm. Pomocí suchých zipů je na sedlo připevněno polstrování. Upevnění sedla na rám
je navrženo tak, aby byl možný jeho vertikální posuv a zároveň i jeho natočení.
Obrázek 28: Model sedla – skořepina [autor]
17
Během testu se nepředpokládala jízda tzv. ze sedla, tedy pozice, během které jezdec stojí na pedálech a
udílí maximální možnou sílu.
38
3.2.3
Řízení vozidla – geometrie řízení
Pro přesné řízení čtyřkolého vozidla je nutné respektovat požadavky na správné řešení
geometrie řízení, přičemž vycházíme z Ackermanovy geometrie řízení (33)(34).Požadavkem
je, aby se kola odvalovala a nikoliv smýkalapři jízdě do zatáčky a v přímém směru. Základní
podmínkou geometrie je společný průsečík os všech kol, tzv. vnitřní systém (Obrázek 29).
Obrázek 29: Schéma Ackermanovy geometrie řízení (33)
Pro vnější úhel )* a vnitřní úhel ) platí
)+ $
,-
.
/
, ) $
,0
.
/
(13)
Dalšími důležitými parametry správné geometrie řízení jsou odklon kola, příklon a záklon
rejdového čepu a sbíhavost kol. V případě návrhu tohoto vozidla byly voleny následující
hodnoty (Tabulka 2), které závisí na velikosti kol (20”) a byly stanoveny porovnáním
s hodnotami používanými pro stavbu šlapacích tříkolek Thunderbolt MK III (35). Uložení
rejdového čepu je uvedeno na Obrázek 30.
Charakteristika
Odklon kola [°]
Záklon rejdového čepu [°]
Příklon rejdového čepu [°]
Hodnota
-3
12
15
Tabulka 2: Hodnoty odchylek rejdového čepu a kol(35)
Řízení může být realizováno pomocí volantu nebo řidítek umístěných nad nebo pod
sedadlem. Velmi často se při konstrukci lehokol, resp. tříkolek používářízení pod sedadlem,
což je výhodné pro pozici „vleže“. Především kuli požadavku na ojedinělý zážitek z jízdy
bude
ovládánítohoto
prototypu
realizovánovolantem,
ne
nepodobnému
volantům
používaných u závodních speciálů. Páky brzd budou umístěny bezprostředně pod volantem,
aby byla zaručena jejich snadná dosažitelnost v každém okamžiku. Převodové stupně budou
ovládány palci a ukazováčky s využitím běžných cyklistických komponentů.
Samotný volant (Obrázek 31) vychází z koncepce používané týmem závodního speciálu
pro soutěž Formula Student/SAE vyvíjeného Fakultou Strojní ČVUT. Jedná se o laminátovou
skořepinu vyztuženou hliníkovými trubkami, na které je možné nasadit běžné cyklistické
komponenty (páky přehazovaček a akcelerátor elektromotoru).
39
Obrázek 30: Detail uložení předních kol, rejdový čep, táhla řídící tyče [autor]
Obrázek 31: Model volantu [autor]
3.2.4
Brzdová soustava
Vzhledem k předpokladu jednostranného uložení předních i zadních kol, přicházejí
v úvahu pouze diskové nebo bubnové brzdy. Volíme řešení s mechanicky ovládanou
bubnovou brzdou(Obrázek 32a)pro svou snadnou instalaci bez nutnosti úpravy rejdového
čepu,která by byla nutná v případě použití kotoučových brzd.Průměr bubnů brzd je 70 mm.
Brzdové páky (Obrázek 32b)jsou navrženy speciálně pro tento prototyp a kopírují tvar
volantu, takže jsou při jakémkoliv manévru dobře dostupné. Vozidlo by mělo být vybaveno
také parkovací brzdou.
(a)
(b)
Obrázek 32 (a) Bubnové brzdy Sturmy Archer (36), (b) model brzdových pák [autor]
3.2.5
Hnací ústrojí
Hnací ústrojí je tvořeno jednak pohonem lidskou silou s využitím klasických cyklistických
komponent a jednak elektromotorem ovládaným akcelerátorem umístěným na volantu.
40
V případě čtyřkolého vozidla se pro přenos hnací síly na kola nabízí využití diferenciálu,
nicméně pro zachování jednoduchosti bude přenos momentu vyvozeného lidskou silou
přenášen pouze na pravou zadní poloosu a hnací moment elektromotoru na levou zadní
poloosu. Toto uskupení je možné za předpokladu, že dodávaný výkon elektromotoru bude
podobný výkonu dodávaného člověkem a za předpokladu, že poloměry zatáčení za
dodávání plného výkonu budou dostatečně velké, aby nedošlo k výrazným rozdílům
uhlových rychlostí hnaných kol. Stanovení potřebného výkonu a kapacity baterií je uvedeno
v kapitole 3.4.3Návrh hnacího ústrojí, parametry skutečně použitého motoru jsou uvedeny
v kapitole 4.2Elektromotor.
Převodové ústrojí pro okruh poháněný lidskou silou je řešeno běžnou přehazovačkou,
zejména z důvodu snadné a cenové dostupnosti. Konstrukčně přijatelnější by bylo použití
bubnové přehazovačky, která nezpůsobítakovésnížení světlé výšky vozidla a výrazně omezí
pravděpodobnost jejího poškození. Lze také užít bubnové kontinuální převodovky CVT, která
je sice na evropském trhu dostupná, nicméně její cena je řádovědvoj až trojnásobná vůči
standardní bubnové. Její výhodou je ale možnost automatickéhořazení převodového stupně.
3.2.6
Vedení řetězu
Oproti běžnému jízdnímu kolu se předpokládá výrazně větší délka řetězu (více než 2x),
je proto nutné zajistit jeho krytí, resp. vedení. Nejčastěji se pro vedení řetězu na těchto
typech dopravních prostředků používá polyamidové trubky, která zaručuje nízké tření.
3.2.7
Kola
Průměr kol je 20“ s výpletem 36 drátů jednak z důvodů jistého omezení daného nutností
zachování prostoru pro nohy jezdce při maximálním natočení předních kol, dále pak
předpokladem relativně vysokých bočních sil, které na kola, jak přední tak i zadní, působí při
průjezdu zatáčkou.
3.3 Pevnostní analýza
Pro kontrolu rámu byl použit program ANSYS Workbench 12.1. Výpočet pomocí metody
konečných prvků je aplikován na zjednodušený 3D model rámu vozidla. Výstupem výpočtu je
trojrozměrný model rozložení statických napětí a posunutí, přičemž velikost napětí je
vyjádřena barevným spektrem. Model zatížení rámu je statický s dynamickým koeficientem
bezpečnosti 3. Výpočetní soubory jsou umístěny na doprovodném CD.
3.3.1
Materiál rámu
Pro výrobu rámu byla zvolena hliníková slitina EN AW 7020 T6 (Al, Zn 4,5%, Mg 1%),
která patří mezi nejpoužívanější pro výrobu cyklistických rámů. Vybrané vlastnosti materiálu
41
jsou uvedeny v Tabulka 3(37). Tloušťka obdélníkových profilů byla v modelu nastavena na
hodnotu 2mm.
Vlastnost
Mez pevnosti Rm [MPa]
Smluvní mez kluzu [Mpa]
Svařitelnost
Korozivzdornost
Hodnota
350
280
dobrá
dobrá/uspokojivá
Tabulka 3: Vlastnosti použité slitiny pro výrobu rámu(37)
3.3.2
Mesh
Byla použita standardní meshovací síť s relevancí nastavenou na hodnotu 40. Síť byla
dále zjemněna v okolí čepu, tedy na samotném čepu a kontaktních plochách čepu
s ostatními díly. Statistické vlastnosti sítě jsou uvedeny v Tabulka 4.
Statistics
Nodes
Elements
55120
27564
Tabulka 4: Vlastnosti sítě[autor]
3.3.3
Zatížení a okrajové podmínky
Zatížení konstrukce a její okrajové podmínky jsou uvedeny na Obrázek 33. Velikost
zatížení vychází ze zvolené hmotnosti jezdce 100kg, která odpovídá hmotnosti horních 95%
mužů. Konstrukce je posuzována jako statická, součinitel dynamické bezpečnosti byl
nastaven na hodnotu 3, celková tíha vyvolaná zatížením jezdce je tedy 3x 981N = 2943N.
Dále předpokládáme sílu vyvolanou zapřením zad při šlapání. Ta působí kolmo na zadní
opěrný rám a je stanovena na hodnotu 700N, což je maximální předpokládaná síla, kterou
jezdec působí do pedálů.Kontakt čepu s nosným rámem a kontakt čepu se zadní nápravou
je považován za kontakt se třením, hodnota tření je nastavena na 0,1. V místě uložení
zadních poloos je konstrukce vazbena podporami Cylindrical support umožňujícími natočení
okolo osy z. V přední části, v místě uložení rejdových čepů byly použity podpory typu
Remote displacement, rovněž umožňující natočení podle osy z a x a zabraňující posuvu ve
směru osy x, y. Na podélnou plochu rámu byla aplikována podpora typu Smoothless support,
která zabraňuje příčnému vybočení rámu, ale umožňuje posuvy v tečném směru.
3.3.1
Analýza posuvů
Obrázek 34 znázorňuje místa s největšími posuvy. Maximální posunutí (až 30mm) lze
identifikovat v oblasti čepu, dále pak směrem k zádové části rámu. Tento posuv je umopžněn
užitím tlumiče, jehož tuhost byla nastavena na hodnotu 100N/mm, resp. jeho tlumením
5Ns/mm. Zvolené nastavení odpovídá referenčním hodnotám standardně dodávaných
cyklistických tlumičů. Použitý tlumič má zdvih 38mm – při uvedené tuhosti tedy posuvy
odpovídají.
42
Obrázek 33: Zatížení konstrukce a její okrajové podmínky v prostředí ANSYS Workbench 12.1 [autor]
Obrázek 34: Deformace rámu [autor]
3.3.2
Napěťová analýza
Napěťová analýza ukazuje, že konstrukce je schopna přenést zvolené zatížení i s
dynamickým koeficientem 3 (Obrázek 35). Je patrné, že maximální napětí dosahovalo
řádově 130MPa, což je necelá polovina hodnoty meze kluzu uvedené v Tabulka 3.
Obrázek 35: Napěťová analýza rámu [autor]
43
3.4 Dynamika vozidla
3.4.1
Jízdní odpory
Na výsledném pohybu vozidla se podílejí tři hlavní síly (Obrázek 36): síla potřebná
k akceleraci, tedy k získání kinetické energieFt(Traction Force), síla potřebná pro překonání
stoupání, tedy k získání potenciální energie Fc(Climbing Resistance)a sílapotřebná pro
překonání jízdních odporů, tedy odporu vzduchu Fa(Aerodynamic Drag) a valivého odporu
Fr(Rolling Resistance).
Obrázek 36: Síly působící na pohybující se vozidlo (23)
Aby se vozidlo pohybovalo, musí pohonná jednotka vynaložit určitý výkon Pk, který je
dán součinem rychlosti vozidla a velikostí výslednice sil:
12 · ∑ ,
(14)
kde 4 " 5 6 .
Odpor vzduchu
Síla působící proti pohybu vozidla vlivem aerodynamického odporu je složena ze dvou
komponent: tvarového odporu a tření vzduchu. Při pohybu jsou vozidlo a jezdec obtékány
vzduchem přičemž proudnice se za vozidlem neuzavírají, ale dochází k víření. Velikost
odporu pak závisí na koeficientu odporu vzduchu Cd, tedy hodnotě ovlivněné tvarem a
rozměry karosérie vozidla, čelní ploše vozidla S, rychlosti jízdy v a hustotě vzduchu ρ :
1
7 · 89 · : · #
2
(15)
Vypovídající hodnotu o aerodynamickém odporu má tzv. efektivní čelní plocha, která je
dána multiplikacíCd·S. Hodnoty Cd se stanovuje na základě měření v aerodynamickém tunelu
nebo na základě modelování CFX. Velikost čelní plochy určíme metodou projekce na
rovinnou plochu (pohled zpředu). Hodnoty efektivní čelní plochy udává Tabulka 5, poslední
řádek udává odhadované hodnoty pro vlastní prototyp. Hodnota Cd je odvozena od hodnoty
stanovené pro lehokolo.
44
Vozidlo
Trekové/cestovní kolo
Horské kolo
Silniční kolo
Závodní kolo - kola s výplní
Lehokolo
Barracuda
PROTOTYP
Cd
1.10
0.95
0.90
0.55
0.77
0.14
0.85
2
S [m ]
0.62
0.58
0.57
0.44
0.35
0.39
0.7
Cd·S
0.682
0.551
0.513
0.242
0.2695
0.0546
0.595
Tabulka 5: Hodnoty Cd, S a efektivní čelní plochy (38)
Valivý odpor
Valivý odpor vzniká deformací pneumatiky a vozovky, jeho velikost závisí na součiniteli
valivého odporu kola Cr a hmotnosti vozidla. Valivý odpor je dán vztahem
5 85 · · · ;<=>
(16)
Celkový valivý odpor je dán součtem valivých odporů jednotlivých kol. Hodnoty
součinitelů valivých odporů některých pneumatik uvádíTabulka 6.
Pneumatika
Běžná penumatika pro treková kola
Sportovní pneumatika
Závodní silniční pneumatika
Michelin Ecorun
Cr
> 0,0075
0,0060
0,0050
0,0028
Tabulka 6: Hodnoty Cr(38)(39)
Odpor stoupání
Hmotnost vozidla jedoucího vzhůru po nakloněné rovině způsobí vznik síly působící proti
pohybu, jede-li vozidlo vzhůru nebo naopak ve směru pohybu, jede-li vozidlo dolů. Síla je
vyjádřena jako
6 · · =?>
Při praktických výpočtech se místo úhlu stoupání ve stupních často používá sklon, resp.
stoupání svahu s, pro který platí = @
A
B>, kde h je převýšení a l je průmět dráhy do
vodorovné roviny. Využíváme zde zjednodušení, že pro malé úhly platí =?> B>, můžeme
pak rovnici přepsat do tvaru
6 · · =
(17)
Tento vztah je možné používat až do hodnoty α=17°, tedy s=0,3= 30 %, kdy rozdíl mezi
sinα a tgα je asi 5%. Maximální stoupání silnic v ČR, pro které jsou lehokola určena
především bývá do 12%.
45
3.4.2
Výkonová analýza
Výkon vozidla a schopnost hnací jednotky jej pohánět jsou velmi důležitými faktory, které
není jednoduché určit nebo změřit naprosto přesně. Z hlediska posádky vozidla jsou důležité
následující faktory(40):
•
Maximální rychlost;
•
Maximální stoupavost naloženého vozidla při dosažení stanovené minimální
rychlosti;
•
Akcelerace vozidla na referenční rychlost (v případě LEV na 25kmh)
Uvedené faktory budou nyní blíže rozepsány.
Výkon pro udržení maximální rychlosti
Udržení maximální rychlosti vozidla je limitováno dostupným výkonem hnací jednotky
Pmaxa velikostí aerodynamického odporu. Při zanedbání všech ostatních ztrát, je maximální
dosažitelná rychlost dána řešením rovnováhy:
1C D
1
E
· 7 · 89 · : · C
2
(18)
Porovnáme-li rovnice 18 a rovnice 15 je patrné, že zatímco odpor vzduchu závisí na
kvadrátu rychlosti jízdy, resp. proudění, výkon na jeho překonání závisí na její třetí mocnině.
Lze tedy očekávat, že vliv odporu zásadně stoupá s rychlostí, proto je vhodné použití
aerodynamických krytů či kapotování.
Stoupavost při návrhové rychlosti
Tento požadavek na výkon je relevantní pro dimenzování hnacího ústrojí nákladních
vozidel, nicméně lze jej aplikovat i pro stanovení předpokládané dosažené rychlosti do kopce
v podmínkách LEV. Vztah mezi maximálním výkonem Pmax a maximálním úhlem stoupání α
při zanedbání všech odporových sil je pak dán
1C D · · F · =?>C
Úhel α opět vyjádříme pomocí sklonu svahu s a rovnici přepíšeme
1C D · · F · =C
(19)
Akcelerace vozidla
Akcelerace vozidla je bezesporu jedním z nejdůležitějších výkonových charakteristik
vozidla. V našem případě budeme vycházet z požadavku na zrychlení z 0 na 25kmh. Při
46
stanovení požadovaného výkonu vyjdeme ze známého vztahu pro stanovení kinetické
energie
1
G2 #
2
(20)
Jestliže zanedbáme všechny odporové síly, energie Ek bude odpovídat energii dodané
I
vozidlu. Pro střední hodnotu výkonu 1H, který udílí hnací jednotka, bude platit 1H 4J, kde t je
K
čas akcelerace. Toto zjednodušení předpokládá, že 1H LMN , kde Pmax je maximální
#
výkon(40). Čas potřebný pro akceleraci na určitou rychlost je pak vyjádřen vztahem
BD
3.4.3
# · 1C
(21)
Návrh hnacího ústrojí
Z výše uvedených vztahů nyní stanovíme požadované výkony hnací jednotky. Vstupním
parametrem je hmotnost vozidla i s jezdcem, která je stanovena na 150kg (včetně
baterií).Dále uvedeme hodnoty výkonu nutného pro udržení určité rychlosti, tedy výkonu
nutného pro překonání odporu vzduchu, výkon nutný pro stoupání do kopce a výkon pro
akceleraci. Všechny hodnoty jdou přepočteny na reálný výkon za předpokladu, že účinnost
elektromotoru vozidla η je 75%.
Tabulka 7 ukazuje modelové hodnoty reálného výkonu elektromotoru potřebného pro
překonání odporu vzduchu za dané rychlosti a různých koeficientů odporu vzduchu Cd.
Hodnota 0,8 je odhadnutá pro prototyp, kapotáž vozidla by tuto hodnotu mohla výrazně
snížit.
Cd
0,8
0,5
0,3
v [km/h]
15
34
21
13
20
81
51
30
25
159
99
59
30
274
171
103
Tabulka 7: Výkony P [W] pro překonání odporu vzduchu [autor]
Tabulka 8udává hodnoty výkonu potřebného pro jízdu vozidla po nakloněné rovině
vzhůru. Orámované hodnoty vyznačené silně představují pracovní oblast a největší využití
vybraného elektromotoru (viz kapitola 4.2Elektromotor) v součinnosti se silou člověka.
Špičkový výkon elektromotoru dosahuje 450W, standardně ale dodává řádově 200W, člověk
je schopen dodávat dlouhodobě 150 až 200W podle momentální kondice.
47
Stoupání [%]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
v [km/h]
10
55
109
164
218
273
327
382
436
491
545
600
654
12
65
131
196
262
327
392
458
523
589
654
719
785
14
76
153
229
305
382
458
534
610
687
763
839
916
16
87
174
262
349
436
523
610
698
785
872
959
1046
18
98
196
294
392
491
589
687
785
883
981
1079
1177
20
109
218
327
436
545
654
763
872
981
1090
1199
1308
22
120
240
360
480
600
719
839
959
1079
1199
1319
1439
24
131
262
392
523
654
785
916
1046
1177
1308
1439
1570
26
142
283
425
567
709
850
992
1134
1275
1417
1559
1700
Tabulka 8: Reálný výkon P [W] potřebný pro překonání odporu proti stoupání [autor]
Ze zjištěných charakteristik reálného motoru (viz kapitola 4.2Elektromotor) a použitého
převodového poměru i lze odhadovat teoretické hodnoty akcelerace(Tabulka 9).
t[s]
6
8
10
12
13
14
15
v [km/h]
10
257
193
154
129
119
110
103
15
579
434
347
289
267
248
231
20
1029
772
617
514
475
441
412
25
1608
1206
965
804
742
689
643
Tabulka 9: Reálný výkon P [W] potřebný pro akceleraci na určitou rychlost za určitý čas [autor]
3.4.4
Odhad dojezdu, propočet kapacity baterií
Za účelem kvalifikovaného odhadu byl porovnán GPS log trasy dlouhé bezmála 550km
(Obrázek 37) projeté na běžném kole s GPS logem testovacího okruhu (Obrázek 46 –
Kapitola 5.1). Porovnání výškových profilů obou tras popisuje Tabulka 10. Z průměrné
hodnoty stoupání a srovnatelného maximálního stoupání je patrné, že testovací trasu lze
považovat za odpovídající testovací vzorek.
Obrázek 37: Lokalizace analyzované trasy[bikemap.net]
48
trasa
504
1,2/-1,2
6,9/-10
vzdálenost [km]
prům. stoupání/klesání [%]
max. stoupání/klesání [%]
testovací okruh
4,43
1,8/-1,7
5,3/-6
Tabulka 10: Porovnání výškových profilů testovacího okruhu a reálné trasy
Testovaná trasa byla nejprve projeta na běžném jízdním kole za účelem získání logu.
GPS log obsahuje informace o aktuální nadmořské výšce, tedy informace o výškovém profilu
okruhu a informace o vlastní jízdě, tedy dosažené rychlosti s frekvencí 1Hz. Z uvedených
informací lze stanovit celkový výkonvozidla potřebný k dosažení určité rychlosti v každém
okamžiku podle předpisu 22, kde µ značí maximální účinnost elektromotoru(uvažujeme
konstantní 75%), přičemž ostatní symboly byly vysvětleny výše v textu
1
1
1 · O · P
= 7 · 89 · : # QR ·
2
S
(22)
Uvedený model nezahrnuje vliv rychlosti větru proudícího proti směru pohybu, resp. z boku
vozidla a valivý odpor.
Výkon je dále přepočten na předpokládaný odebíraný proud aje vypočtena celková
spotřebovaná energieE [Wh],za účelem odvození potřebné kapacity baterií. Z Tabulka 11 lze
vyčíst, že pro dosažení průměrné cestovní rychlosti 23km/h na úseku dlouhém 4,4km je
potřeba 81Wh. Uvažujeme-li rovnoměrné rozdělení práce mezi elektromotorem (8Wh/km) a
jezdcem (10Wh/km), dostáváme spotřebuelektromotoru řádově 9,7Wh/km. Z hlediska
hmotnosti, limitujících maximálních rozměrů a maximalizace dojezdu se jeví jako vhodné
baterie 12V/18Ah řazené do série. Celková kapacita je 648Wh, přičemž se doporučuje tyto
baterie vybíjet do 70% celkové kapacity. Čím je stupeň vybití baterie hlubší, tím kratší je její
životnost (při vybíjení na 50%kapacity se životnost baterie zkracuje z 1200 cyklů na 400).
Dostupná kapacita tedy bude řádově 194Wh (při 30% vybití), resp. 324Wh (při 50% vybití),
očekávaný dojezd přibližně 25km, resp. 40km.
-2
n.v. [m] l [m]
s [] v [km/h] v [m/s] a [ms ]
286
6
0
22
6,11
0,56
285
6
-0,167
22
6,11
0,00
285
6
0
23
6,39
0,28
285
7
0
24
6,67
0,28
285
7
0
26
7,22
0,56
284
7
-0,143
27
7,50
0,28
284
7
0
27
7,50
0,00
průměr 23,09
F [N]
108,4
-220,2
67,9
69,2
113,6
-136,8
31,7
P [W]
662,2
-1345,8
434,0
461,4
820,6
-1026,1
238,1
průměr
I [A]
18,4
0,0
12,1
12,8
22,8
0,0
6,6
12,9
Wusek [J] Wcelkem[J]
650,2
3765
0,0
3765
407,6
4173
484,5
4658
795,4
5453
0,0
5453
222,2
5675
celkem
290355
W [Wh]
81
Tabulka 11: Modelový výpočet požadovaného výkonu vozidla [autor]
Druhou úvahou pro stanovení teoretického maximálního dojezdu s příšlapem vyjdeme z
hodnoty průměrně odebíraného proudu, tedy řádově 7A. Z vybíjecí charakteristiky
49
baterie(dokumentace na přiloženém CD) lze stanovit, že takový proud je schopna dodávat
po dobu 2h. Dojezd by tedy dosahoval 46km, nicméně stupeň vybití bude přes 50%.
3.5 Bezpečnostní aspekty
Na zajištění bezpečí jezdce se podílí několik konstrukčních celků vozidla, které nyní
přiblížíme. Nejprve popíšeme bezpečnostní prvky, kterými je vozidlo již vybaveno, dále
popíšeme možná rozšíření.
3.5.1
Provedení konstrukce
Díky aplikaci otočného roštu na přední nápravě je zajištěn neustálý kontakt všech 4 kol
při jakékoliv terénní nerovnosti. Pozice jezdce vleže, tedy nohama vpřed může být vnímána
jako
bezpečnostní
výhoda
v porovnání
s běžným
jízdním
kolem,
protože
je
nepravděpodobné, že při nárazu dojde k „přepadnutí“ přes řídítka.
3.5.2
Osvětlení vozidla
Vzhledem ke skutečnosti, že výška vozidla je v porovnání s běžným jízdním kolem
zhruba poloviční, naopak šířka vozidla dosahuje téměř 1m je nutné zajistit dobrou viditelnost
vozidla v silničním provozu. Prototyp využívá vysoce svítivých pásů diod, jejichž počet je
řádově 8 až 12 násobný oproti svítilnám používaných na běžných kolech.
3.5.3
Kapotáž
Kapotáž zajišťuje ochranu jezdce před nepřízní počasí, zejména při dešti, ale může být i
ochranným prvkem chránícím jezdce při nárazu. Ačkoliv její instalace vede ke zvýšení
celkové hmotnosti, může výrazně přispět ke snížení oporu vzduchu a tím snížit energetické
nároky a zvýšit dojezd. Vozidlo bude vybaveno pouze blatníky na všech 4 kolech, pouzdry
pro uložení trakčních baterií a odnímatelným zavazadlovým boxem.
3.5.4
Helma a nášlapné pedály
Při jízdě na jakémkoliv LEV, podobně jako při jízdě na jízdním kole je důrazně
doporučeno nosit ochrannou helmu.
Pozice nohou při šlapání se výrazně liší od běžného kola a hrozí zde sklouznutí nohy
z pedálů a následné zranění. Z toho důvodu je vozidlo vybaveno nášlapnými pedály, které
nechtěnému sklouznutí zabrání. Díky stabilitě vozidla nepůsobí žádné problémy při
zastavení a zároveň umožňují zvýšení plynulosti hnací síly vyvozené jezdcem. Jezdec zabírá
oběma směry, ne jen od sebe.
3.5.5
Výhled do budoucna
Pokud bychom uvažovali o přesunu vozidla z kategorie elektrokol do kategorie Z6e podle
SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY 2002/24/ES, bylo by nutné vozidlo
50
dále opatřit: poutacími pásy, dvou-okruhovým brzdným systémem pro všechna kola,
ochranou proti nepovolanému užití, zpětnými zrcátky, zvukovým výstražným zařízením a
dalšími funkčními celky. Tato kategorie umožňuje vozidlo, jehož hmotnost v nenaloženém
stavu nepřekročí 350kg (hmotnost baterií se nezapočítává), vybavit trakční jednotkou o
maximálním trvalém jmenovitém výkonuaž 4 kW, maximální konstrukční rychlost v této třídě
je 45kmh.
51
4 Realizace vozidla
4.1 Výroba vozidla
Bylo realizováno čtyřkolé vozidlo, s hliníkovým rámem, odpruženou zadní nápravou a
naklápěcí přední nápravou zabraňující namáhání na krut. Pohon levé zadní poloosy zajišťuje
motor o výkonu 450W, pravá poloosa je nezávisle poháněna šlapajícím jezdcem. Vozidlo je
ovládáno volantem, na kterém jsou instalovány veškeré ovládací prvky vozidla, zejména tedy
brzdy, páky přesmykače, přehazovačky a akcelerační páčka elektromotoru. Volant umožňuje
osazení navigačního panelu, resp. wattmetru pro sledování aktuální a celkové spotřeby
energie odebírané z akumulátorů. Skořepinové sedadlo je potaženo prodyšnou změkčenou
vrstvou, která zvyšuje komfort jezdce. Vozidlo bylo dále vybaveno prototypovými blatníky,
které jezdce chrání při nepříznivém počasí a slouží také pro osazení akumulátorů. Navíc je
vozidlo vybaveno odnímatelným zavazadlovým boxem o rozměrech 400x400x230mm,který
umožňuje uložení měřících zařízení. Z důvodu bezpečnosti je vozidlo náležitě osvětleno
vpředu 40 vysoce svítivými diodami bílé barvy vpředu a stejným počtem červených diod
vzadu. Hlavní parametry vozidla jsou uvedeny v Tabulka 12. Model vozidla je uveden na
Obrázek 38, skutečnou realizaci vozidla ukazujeObrázek 39.
Hlavní parametry vozidla
Délka
Šířka
Výška
Hmotnost vozidla bez akumulátorů
Hmotnost akumulátorů
Celková hmotnost
Minimální poloměr zatáčení
2200mm
900mm
1050mm
44kg
3x 6kg
62kg
4800mm
Tabulka 12: Hlavní parametry vozidla [autor]
52
Obrázek 38: Model vozidla ve 3D [autor]
53
(a)
(b)
Obrázek 39 Realizované vozidlo v pohledu (a) zepředu, (b) ze zadu [autor]
4.2 Elektromotor
Jako přídavný pohon vozidla byl použit kartáčový DC motor (Obrázek 40)
s permanentními magnety o výkonu 450W, osazený na zadní odpružený rám vozidla.
Výstupní otáčky jsou redukovány pomocí čelních ozubených kol s přímým ozubením. Hnací
moment je přenášen řetězem 1/2“x3/32“ (standardní řetěz pro jízdní kola s přehazovačkou)
na levou zadní poloosu, na které je pomocí čepu upevněna volnoběžná spojkas ozubenými
koly. Motor je napájen stejnosměrným napětím 36V. Principielně se jedná o kartáčový čtyřpólový synchronní motor s permanentními magnety. Vnitřní stavba motoru je vyobrazena
v příloze A.
54
Obrázek 40: Technické výkresy elektromotoru
Parametry motoru jsou uvedeny v následující tabulce (Tabulka 13).
Tabulka 13: Charakteristiky elektromotoru[Unitemotor]
Obrázek 41 ukazuje uložení motoru (1) na rámu a pastorky hnaných zadních poloos (2 a
3), uložených na volnoběžných spojkách. Zadní kola jsou poháněna nezávisle.
Obrázek 41: Mechanické upevnění elektromotoru (1), pastorky hnaných poloos (2 a 3) [autor]
Za účelem ověření maximálních a optimálních výkonových parametrů motoru byla
proměřena jeho zátěžová charakteristika na dynamometru ASD 10 (asynchronní
dynamometr do 10kW) a hodnoty vyneseny do Tabulka 14. Měřící stanoviště je vyobrazeno
v Příloze A. Maximální účinnost 76% udávaná výrobcem se shoduje s naměřenými
hodnotami(viz Tabulka 14 sloupec n[%]) a je vynesena do grafu (Obrázek 42).
Hnací pastorek elektromotoru má 9 zubů, hnaná poloosa je osazena kazetou ozubených
kol s volnoběžnou spojkou používanou na standardních jízdních kolech. Konstrukce
55
umožňuje změnu převodového poměru, která je možná výměnou zadního ozubeného kola.
Pro testování byly vybrány převodové poměry9:15 a 9:20.Před konkrétním návrhem
převodového poměru bylo experimentálně zjištěno, že jezdec je v rovinném terénu schopen
dlouhodobě pohánět vozidlo rychlostí řádově 15km/h až 20km/h. Zvolené poměry umožní
vozidlu dosahovat vyšších rychlostí a to až do rychlosti 25km/h při použití poměru
9:15.Vozidlo tak splňuje vyhlášku Ministerstva dopravy a spojů č. 341/2002sb., přílohy č. 13.
Hodnoty uvedené v Tabulka 14 představují vypočtené hodnoty výstupního momentu
přepočtené
na
rychlost
vozidla
vyplývající
z proměřené
výkonové
(momentové)
charakteristiky motoru (levá část tabulky). Pro běžný provoz při dosažení průměrné rychlosti
22kmh se bude průměrný odběr proudu pohybovat okolo 5A pro i 9:15.
Výpočet teoretických rychlostí pro různé i
Experimentální ověření parametrů motoru
U= 36V
i= 9:15
i= 9:20
Min
rpm
Izdroj
Pin
Pout
n
Mout
rpmkolo
v vozidlo
Mout
rpmkolo
[Nm]
[n]
[A]
[W]
[W]
[%]
[Nm]
[n]
[km/h]
[Nm]
[n]
0.0
549
1.2
43.2
0.0
0.46%
0.00
-0.00
-0.5
544
2.0
72.0
28.5
39.86%
0.83
326.4
24.6
1.11
244.8
1.0
537
2.8
100.8
56.2
55.85%
1.67
322.2
24.3
2.22
241.7
1.5
531
3.5
126.0
83.4
66.27%
2.50
318.6
24.0
3.33
239.0
2.0
528
4.3
154.8 110.6 71.45%
3.33
316.8
23.9
4.44
237.6
2.5
521
5.2
187.2 136.4 72.92%
4.17
312.6
23.6
5.56
234.5
3.0
516
6.0
216.0 162.1 75.00%
5.00
309.6
23.3
6.67
232.2
3.5
510
6.9
248.4 186.9 75.20%
5.83
306.0
23.1
7.78
229.5
4.0
504
7.8
280.8 211.1 75.14%
6.67
302.4
22.8
8.89
226.8
4.5
498
8.6
309.6 234.7 75.74%
7.50
298.8
22.5
10.00
224.1
5.0
493
9.4
338.4 258.1 76.24%
8.33
295.8
22.3
11.11
221.9
5.5
488
10.3 370.8 281.1 75.78%
9.17
292.8
22.1
12.22
219.6
6.0
483
11.1 399.6 303.5 75.95%
10.00
289.8
21.9
13.33
217.4
6.5
478
11.9 428.4 325.4 75.86%
10.83
286.8
21.6
14.44
215.1
7.0
473
12.8 460.8 346.7 75.09%
11.67
283.8
21.4
15.56
212.9
7.5
466
13.7 493.2 366.0 74.21%
12.50
279.6
21.1
16.67
209.7
8.0
460
14.6 525.6 385.4 73.34%
13.33
276.0
20.8
17.78
207.0
10.2
418
16.5 594.0 446.5 75.76%
17.00
250.8
18.9
22.67
188.1
v vozidlo
[km/h]
18.5
18.2
18.0
17.9
17.7
17.5
17.3
17.1
16.9
16.7
16.6
16.4
16.2
16.0
15.8
15.6
14.2
Tabulka 14: Zátěžová charakteristika motoru při U = 36V; výstupní hodnoty pro převodový poměr i = 9:15
a i = 9:20 (MIn – točivý moment motoru, rpm – otáčky elektromotoru, Izdroj – odebíraný proud, PIn –
teoretický výkon, Pout – reálný výkon, n – účinnost, Mout – přepočtený točivý moment na zadní poloose,
rpmkolo – rychlost otáčení zadního 20” kola, vkolo – rychlost pohybu)[autor]
Efektivita
Efektivita[%]
100.00%
80.00%
60.00%
40.00%
20.00%
0.00%
0.0
5.0
10.0
M[Nm]
Obrázek 42: Efektivita elektromotoru [autor]
56
15.0
4.3 Kontroler
Kontroler (Obrázek 43)řídí chod motoru podle nastavení akcelerační páčky a je vybaven
ochranou proti pod-vybytí baterií; baterie jsou automaticky odpojeny při poklesu pod napětí
28,8V.
Obrázek 43: Kontroler elektromotoru[dokumentace zakoupeného produktu, příloha CD]
Bylo proměřeno napětí a proud na vstupu a výstupu z kontroleru při chodu na prázdno
(Obrázek 44a), resp. při chodu motoru bez zátěže (Obrázek 44b) při vstupním napětí U036V.
Při chodu na prázdno byl změřený odebíraný proud I0 0,005A, příkon kontroleru P0 je tedy
řádově 0,18W. Z toho důvodu by při delším nepoužívání měl být od baterií odpojen, aby
nedocházelo k jejich vybíjení.Při 36V se motor bez zátěže roztočí na 544rpm a odebírá 1,2A,
což se shoduje s charakteristikami udávanými výrobcem.
(a)
(b)
Obrázek 44: Sejmuté průběhy vstupního a výstupního napětí a proudu na kontroleru (a) při chodu
naprázdno, resp. (b) při nezatíženém chodu motoru. Označení jednotlivých kanálů: oranžová – vstupní
napětí, zelená – výstupní napětí, modrá – vstupní proud, růžová – výstupní proud.
4.4 Akumulátory
Byla provedena analýza dostupných typů baterií na českém trhu a zjištěn nejlepší poměr
cena/výkon pro olověné baterie jak ukazujeTabulka 15.Údaje byly zjištěny od těchto
dodavatelů: GES Electronics; ekolo.cz; e-pohon.cz; i4wifi.cz.
57
Technologie
U=36V
SLA
LiPol
Li-ion
LiFePO4
LiFePO4
SLA
LiPol
Li-ion
LiFePO4
LiFePO4
Číslo
1
2
3
4
5
Hmotnost
[kg]
17,1
4,1
5,2
5,2
8,4
Kapacita
[Ah]
18
14
16
16
17
Energie
[Wh]
648
504
576
576
612
Měrná
kapacita
[Wh/kg]
37,89
122,93
110,77
110,77
72,86
Cena
Nabíjecí proud Cena s DPH nabijecky Cena za Wh
[A]
[kč]
[kč]
[kč]
1,6
2 300 Kč
200 Kč
3,5 Kč
14 999 Kč
2 581 Kč
29,8 Kč
2 az 5
11 940 Kč
898 Kč
20,7 Kč
2 az 5
10 776 Kč
898 Kč
18,7 Kč
8 az 14
10 836 Kč
898 Kč
17,7 Kč
Rozměry
v-š-h
[mm]
3x 167x181x77
370x112x98
360x148x83
275x135x85
3x 167x181x77
Cena za Wh
s nabíječkou
[kč]
3,9 Kč
34,9 Kč
22,3 Kč
20,3 Kč
19,2 Kč
Objem
[dm3]
6,98
4,06
4,42
3,16
6,98
Poznámka
1
2
3
4
5
Poznámka
špatná dostupnost 36V nabíječky v ČR (cena nabíječky 12V/0,5 až 4A - 200 až 700kč)
včetně hliníkového krytu
včetně hliníkového krytu
včetně BMS, bez hliníkového krytu
stejné boxy jako pro SLA baterie
Tabulka 15: Srovnání parametrů baterií dostupných na českém trhu
Byly zvoleny trakční baterie značky Alarmguard 12V 18Ah s následující vybíjecí
charakteristikou (Obrázek 45a). Uvažujeme-li průměrnou cestovní rychlost 23km/h, bude při
převodovém poměru 9:15 průměrný odběr proudu 7A (viz Tabulka 14). Jak vyplývá z kapitoly
3.4.4, odhadovaný dojezd bude dosahovat 50km v závislosti na konkrétním výškovém profilu
trasy a stavu baterií a příšlapu jezdce.
(a)
(b)
Obrázek 45: (a) Vybíjecí charakteristika vybraných baterií, (b) nabíjecí cyklus olověných akumulátorů(41)
Pro nabíjení byla zvolena mikroprocesorem řízená třístupňová nabíječka WILSTAR 12V /
4A pro SLA akumulátory AGM/GEL s kapacitou 15-50Ah. Akumulátory jsou nabíjeny
jednotlivě, proces nabíjení respektuje průběh nabíjecího napětí podle Obrázek 45b.
58
4.5 Finanční kalkulace projektu
Tabulka 16uvádí reálnou celkovou finanční kalkulaci projektu. Celkové náklady dosáhly
35 600Kč (v částce nejsou zahrnuty další náklady, které byly vynaloženy na provádění
měření, zejména výroba některých měřících čidel).
Konstrukční
celek
Rám
Celkem
Sedlo
Celkem
Kola
Celkem
Řízení
Komponenta/díl
Kusů
Al-jackl 60x40x4
9,3kg
Al-jackl 50x30x3
4,7kg
Al-trubka 26x4
0,05kg
Al-trubka 30x2
0,6kg
Al-trubka 30x2
1,15m
Al-trubka 20x2
1m
Tlumič
Čep
výroba rámu - vaření
výroba rámu - řezání
výroba rámu - soustružení
Cena
vyroby
1
1
5
5
2
500
300
400
Sedlo + doprava
Poplatek bance
Ocel tyč 17
2kg
Al trubka
Ložiska
4
Pojistný kroužek
10
Dveřní zarážka
2
Náboje s bubnovou brzdou
2
Doprava nábojů
Zadní náboje - výroba
2
Výplet nábojů
4
Ráfek
4
Duše
4
Plášť
4
Draty 176mm, pozinkovane (200)200
Matičky na draty (200)
200
Dráty 184
100
Doprava drátů a matiček
Loctite 3430
Tmel + brusný papír
výroba volantu
Al-trubka 20
Závitová tyč
Hlavové složení
Hřídelový kloub
Úhlový kloub
rejdové čepy - výroba
brzdové páky - výroba
Bowden
Axialni lozisko
Omotávka volantu
500
250
24ml
8
200
2
1
4
2
2
2
1
1
500
300
1,6m
0,98kg
Celkem
59
Cena
nákupu s DPH
práce
1246
1495,2
629
754,8
10
12
96
115,2
60
36
201
80
2500
1500
800
2754,2
4800
1827
250
2077
55
66
0
128
153,6
20
24
120
2754
110
1000
1000
120
480
85
340
145
580
184
211
100
270
6392,6
1000
437
269
1600
69
54
500
552
456
1000
600
292
50
100
2779
3200
Pohon
Středové složení
přesmykač
kazeta 8 koleček
volnoběžka
kliky
šrouby pro dotažení klik
pedály
měnič
řazení
řetěz
PA trubka
1
1
1
1
1
2
1
1
1
3
70
1m
Celkem
Spojovací materiálI.
Celkem
II.
Krytování
PE deska
2 x 1m
PE folie
4m 3mm
spojovací kabel
Spojový úhel
4
petlice s okem
1
truhlový závěs
2
práce
8
Celkem
Elektroinstalace oboustranná páska
1
baterie 12V 8Ah
1
nabíječka
1
diody 16x5
spínače
2
kabel 4m, dvojlinka 0,75mm
Celkem
Elektropohon
450W motor 36V
1
36V Kontroler
1
kazeta 8 koleček
volnoběžka
rukojeť
1
Další příslušenství k motoru
Watt metr
1
Baterie 12V/18Ah
3
Kabel dvojlinka
5m
Kabel dvojlinka 2x 1,5mm 3m
Kabel dvojlinka 2x2,5mm 3m
Faston zásuvky
Celkem
CELKEM
200
Tabulka 16: Celková finanční bilance
60
300
170
166
360
205
80
470
214
516
210
40
2731
60
362
423
60
100
38
22
38
258
89
530
160
360
75
34
1248
1235
380
166
360
190
570
570
2215
72
60
60
20
5898
24922
1600
1600
10600
5 Ověření jízdních vlastností vozidla
5.1 Testovací trasa
Testovací trasa je složena z několika terénních profilů. Jedná se o uzavřený okruh o délce
4,388km (Obrázek 46) vedoucí po asfaltové silnici s běžným provozem. Na mapce se
znázorněnou trasou jsou číselně vyznačeny jednotlivé úseky testovací trasy (Obrázek 47),
jejich parametry shrnuje Tabulka 17.
•
stoupání (č. 1),
•
rovinný(č. 2),
•
klesání (č. 3) –ověření maximální konstrukční rychlosti,
•
akcelerace (č. 4) – úsek pro testování pohonu pouze elektromotorem.
Obrázek 46: Testovací trasa s vyznačenými úseky [autor]
Úsek
Délka [m] Start Konec
č. Úsek
1 Stoupání-I
381 268 649
Stoupání-II
376 2260 2636
2 Rovinný
620 1640 2260
3 Klesání
1450 2636 4086
4 Akcelerace
218 1380 1598
Celkem
4388
Úhrnné hodnoty
Maxima
Průměry
Klesání
[m]
Stoupání
[m]
Klesání
[%]
Stoupání
[%]
Klesání
[%]
Stoupání
[%]
---6,79
-20,3
-1,25
-39
11,6
10,5
4,7
2,7
1,2
39
---4,1
-6
-2,3
-6
5,4
5,8
3,3
1,7
1,5
5,3
---1,7
-1,8
-1,5
-1,7
3
2,7
2
0,7
0,9
1,8
Tabulka 17: Parametry jednotlivých úseků trasy [autor]
61
Obrázek 47: Výškový profil trasy s vyznačením sledovaných úseků [autor]
5.2 Metodika hodnocení vozidla
Cílem měření je stanovení koeficientu asistence motoru, který je určován na základě
poměru energie dodané vozidlu jezdcem a elektromotorem vůči energii potřebné pro pohon
vozidla bez trakce. Energie, kterou vynaložil jezdec je určena ze znalosti jeho aktuálního
výkonu v daném úseku, tedy na základě měřené síly, kterou jezdec působil při šlapání na
pedály a úhlové rychlosti otáčení pedálů. Pro měření síly působící na pedál byl zhotoven
speciální tenzometrický senzor (viz kapitola 5.3). Výkon elektromotoru je dán průběhem
odebíraného proudu z baterií (proudová sonda), průběhu napětí v trakčním obvodu(odporový
dělič) a znalosti účinnosti elektromotoru.
Za účelem určení asistenčního koeficientujsou nejprve stanoveny tzv. referenční hodnoty
potřebné energie, kdy se měří vozidlo samotné bez trakční výbavy. Trasa je projeta třikrát: a)
pomalu, b) střední rychlostí, c) maximální rychlostí (maximální síla jezdce). Jsou stanoveny
hodnoty potřebných energií, které jsou linearizovány, je stanovena závislost dodané energie
na průměrné rychlosti. Známe-li tento průběh, můžeme porovnávat vozidlo bez trakční
výbavy a s ní při dosažení libovolné průměrné rychlosti vozidla s trakcí. Vozidlo s trakcí
využívá maximálního výkonu elektromotoru18. Testováno bylo vozidlo se dvěma různými
převodovými poměry 9:15 a 9:20. Asistenční koeficient představuje rozdíl mezi energií
vynaloženou jezdcem pro dosažení určité průměrné rychlosti na vozidle bez trakční výbavy a
s ní.
18
Oproti jízdním testům ExtraEnergy.org je zde rozdíl, protože komerčně vyráběné elektromotory umožňují
nastavení míry asistence elektromotoru.
62
Autor si dále klade za cíl porovnat energetickou náročnost běžného jízdního kola a
vozidla s trakční výbavou a bez ní. Z toho důvodu je vybraná trasa opět projeta třikrát na
jízdním kole a linearizací stanovena závislost dodané energie na průměrné dosažené
rychlosti. Dále je porovnána energie dodaná jezdcem jízdnímu kolu a vozidlu s a bez trakční
výzbroje.
Testovaná vozidla:
•
Vozidlo bez elektrické trakce (3x),
•
Vozidlo HEH s použitím motoru, převodový poměr 9:15,
•
Vozidlo HEH s použitím motoru, převodový poměr 9:20,
•
Běžné jízdní kolo (3x).
Výsledky všech měření jsou porovnány s modelovým výpočtem potřebného celkového
výkonu podle rovnice 22.
Abychom zjistili, v jakém režimu, resp. zátěžovém pásmu (Obrázek 48) pracoval jezdec,
jsou sbírána data o tepové frekvenci jezdce. Výsledkem je porovnání vlivu pozice jezdce na
krevní oběh při jízdě na běžném kole (vertikální pozice) a pozici lehokole (horizontální
pozice).
Obrázek 48: Tabulka zátěžových pásem(42)
5.3 Způsob měření
Pro záznam odebíraného proudu, průběhu napětí, kadence a působící síly na pedál byla
zvoleno DAQ (Data Acquisition) zařízení společnosti National Instruments(43). Multifunkční
karta NI USB 6009 (Obrázek 49)byla zapouzdřena do krytu umožňujícího spojení s měřícími
detektory pomocí banana konektorů. Podrobná dokumentace karty je uvedena na
přiloženém CD.
63
(a)
(b)
Obrázek 49: (a) Multifunkční karta NI USB 6009(43) (b) Speciální kryt karty s banana konektory[autor]
Karta je připojena k přenosnému počítači pomocí USB portu a data jsou zaznamenávána
v reálném čase pomocí aplikace DEWESoft 7 v diferenciálním režimu karty.Vzorkovací
frekvence byla nastavena na 2kHz z důvodu vysoké pracovní frekvence měniče. Stejná
vzorkovací frekvence byla nastavena pro snímání kadence i síly působící na pedálz důvodu
možnosti nechtěného podvzorkování dat.
Obrázek 50: Uložení měřící techniky v zavazadlovém boxu [autor]
5.3.1
Měření napětí
Maximální vstupní napětí karty je 5V, zatímco předpokládané napětí na trakčních
bateriích se pohybuje v rozmezí od 29 do 38V (baterie 3x 12V zapojené do série). Pro
snímání a záznam průběhu napětí v čase byl vytvořen odporový dělič se třemi odpory podle
následujícího schématu (Obrázek 51).
64
Obrázek 51: Schéma děliče napětí [autor]
Vstupní napětí měřené na kartě se bude pohybovat v rozmezí 2,5 – 3,3V podle vztahu
# ·
5.3.2
T
#
#
E
(23)
Měření proudu
Proud odebíraný motorem je měřen pomocí proudové sondy od společnosti Telcon
(Obrázek 52). Tato sonda funguje na principu Hallova efektu. Vodič prochází otvorem
uprostřed, přičemž maximální možná hodnota proudu pro měření je 300A. V našem případě
dosahuje maximální proud 22A (nárazově 45A).
Obrázek 52: Proudová sonda Telcom HT300M [autor]
5.3.3
Wattmetr
Wattmetr umožňuje sledovat aktuální odebíraný proud, napětí na bateriích, dále
zobrazuje informace o celkové spotřebované energii E[Wh], náboj odebraný z baterie Q[Ah],
špičkový dodávaný výkon P[W]a špičkový dodávaný proud I[A].Dokumentace k zařízení je
uvedena na příloženém CD.
65
Obrázek 53: Turnigy 130A Watt Meter and Power Analyzer[Hobbyking.com]
5.3.4
Měření kadence
Pro měření kadence byl použit magnetický jazýčkový kontakt (Obrázek 54a))(44), který
je zapojen podle schématu uvedeného na Obrázek 54b.
(a)
(b)
Obrázek 54 (a) Magnetický jazýčkový kontakt, (b) Zapojení[autor]
5.3.5
Měření síly působící na pedál
Princip
Pro měření síly působící na pedál byly použity deformační členy (Obrázek 57c)
s tenzometry z digitální osobní váhy. Protože digitální váha je dimenzována na vážení do
150kg, lze očekávat, že jednotlivé deformační členy budou dimenzovány řádově na čtvrtinu
maximální hmotnosti, tedy zhruba 35kg. Aby se předešlo nechtěné trvalé deformaci při
plném působení síly na pedál (až 700N na pedál), byly pro konstrukci použity dva
deformační členy. Tenzometry na deformačních členech jsou zapojeny do Wheatstonova
půlmostu. Při zatížení se deformuje deformační člen (Obrázek 57c) a dochází ke změně
odporu v tenzometrickém můstku. Změna odporu je zaznamenávána jako změna napětí
v řádech mV. Signál z obou snímačů je zesílen pomocí nízko-šumového operačního
zesilovačeNJM4580L (dokumentace k produktu je uvedena na přiloženém CD).
Provedení
Následující schéma (Obrázek 55) ukazuje zapojení obvodu pro zesílení snímaného
napětí, které se mění v závislosti na změně odporů tenzometrických můstků.
66
Obrázek 55: Schéma zapojení zesilovacího obvodu tenzometrického senzoru [autor]
Kalibrace senzoru
Během kalibrování bylo zjištěno, že odezvu senzoru, tedy změnu napětí, značně
ovlivňuje úhel, pod kterým na něj působí zatěžovací síla a přesné místo působiště, což je
dáno užitím ocelové podpory v přední části. Aby kalibrace odpovídala plánovanému
skutečnému zatěžování, byla provedena tak, že jezdec sám působil na senzor chodidlem
definovanou silou na definovaném místě. Jezdec přesunoval postupně svou váhu
z kalibrované osobní váhy na připravený senzor, přičemž byla odečítána jeho hmotnost na
osobní váze. Byla stanovena následující závislost (Tabulka 18), vyplývající z níže uvedeného
grafu(Obrázek 56) a zjištěno, žeodezva senzoru je lineární. Poté bylo zařízení kalibrováno
pomocí olověných závaží a byla potvrzena skutečnost, že pro zpřesnění měření by nášlapná
plocha nesměla být zapřena ocelovými podporami, které byly použity z důvodu dosažení
větší stability. Od původního záměru působit přímo na čidla bylo upuštěno, protože pedál byl
příliš vratký a šlapání nebylo možné.
67
Jezdec
m [kg]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
F [N]
0
49,05
98,1
147,15
196,2
245,25
294,3
343,35
392,4
441,45
490,5
539,55
588,6
Olověná závaží
U [mV]
m [kg]
F [N]
U [mV]
-16
0
0
-16
40
5,1
50,031
49
160
10,7 104,967
95
220
16,4 160,884
150
280
21,8 213,858
200
350
27,5 269,775
250
410
33,1 324,711
302
480
38,5 377,685
368
550
44,1 432,621
425
610
49,6 486,576
487
690
55,1 540,531
565
750
---810
----
Tabulka 18: Kalibrace senzoru měření síly působící na pedál [autor]
Uzávaží [mV]
Učlověk [mV]
1000
800
600
400
200
0
-200 0
200
y = 1.396x - 0.659
R² = 0.997
400
600
500
400
300
200
100
0
-100 0
200
y = 1.034x - 17.23
R² = 0.996
600
U [mV]
Lineární (U [mV])
400
U [mV]
600
Lineární (U [mV])
Obrázek 56: Kalibrace senzoru [autor]
(a)
(b)
(c)
Obrázek 57 (a) realizace obvodu na univerzálním pájivém poli, (b) uchycení na pedál, (c) deformační člen
[autor]
68
5.3.6
GPS
Pro určování pozice a záznam projeté trasy byl zvolen GPS modul společnosti Garmin,
GPS 18x USB (Obrázek 58a), který umožňuje přímé propojení s notebookem. Jedná se o
vysoko-citlivostní GPS zařízení vhodné pro přesné měření, které umožňuje zaznamenávat
aktuální informace o trase s frekvencí 5Hz. Pro správné a plné využití GPS modulu je nutná
instalace programu Franson GPSGate. Tato aplikace umožňuje volbu virtuálních portů, na
kterých bude toto zařízení vysílat informace pro jednotlivé virtuální porty počítače.
Dokumentace k zařízení je uvedena na doprovodném CD.
Záznam výškového profilu byl proveden pomocí GPS zařízení Garmin 60CSx (Obrázek
58b), který je vybaven snímačem atmosférického tlaku, měření výškového profilu je tedy
přesnější než měřením pouze na základě GPS signálu, nicméně dostupný záznam má
rozlišovací úroveň nadmořské výšky 1m a maximální vzorkovací frekvence je jen 1Hz.
(a)
(b)
Obrázek 58 (a) GPS 18x USB, (b) Garmin 60CSx[Garmin]
5.3.7
Tepová frekvence
Tepová frekvence byla měřena zařízením Ciclo Puls CS8 od společnosti Ciclo Puls
(Obrázek 59). Zařízení umožňuje záznam a zobrazení průměrné tepové frekvence,
maximální frekvence a zobrazení času, po který se tepová frekvence uživatele pohybovala
ve třech pásmech. Pásma byla nastavena podle frekvencí jednotlivých zátěžových režimů
(Obrázek 48).
Obrázek 59: Pulsmetr Ciclo Puls CS8
69
5.4 Zpracování dat
Data jsou nejprve zaznamenána aplikací DEWESoft 7 (Obrázek 60), poté jsou
exportována ve formátu .txta načtena do Matlabu. Datové logy před zpracováním a
zpracovaná, filtrovaná data jsou uvedena na doprovodném CD.
Obrázek 60: Ukázka zaznamenaného logu (shora: průběh napětí, kadence šlapání, nadmořská výška,
působící síla, průběh odebíraného proudu, rychlost vozidla)
Během zpracovávání dat se ukázalo, že se významně liší zaznamenaný výškový profil
testovací trasy v jednotlivých měřeních. Z toho důvodu byla trasa proměřena navíc ještě
barometrickou GPS vybavenou snímačem atmosférického tlaku. Takto získaný profil byl
porovnán s ostatními změřenými a vybrán ten, který nejlépe odpovídal. Tento profil je pak
použit pro zpracování všech datových logů.
Pro účely modelového výpočtu celkového výkonu (podle rovnice 22) byla data uměle
podvzorkována na 20Hz (zpracování měřené rychlosti), především z důvodu výpočetní
náročnosti práce s 2000 údaji o každé vteřině. Navíc ani vlastní podrobnost záznamu by
nevedla
k výraznému
zpřesnění
modelového
výpočtu,
který
vychází
z některých
odhadnutých konstant. Program DEWESoft umožňuje exportovat přímo data o dosažené
rychlosti, kterou sám dopočítává pravděpodobně s frekvencí 1Hz, jak ukazuje pro prvních
50000 záznamů odpovídajících 25s (Obrázek 61a). Problém pak nastává při určování
potřebného výkonu pro zrychlení, tedy získání kinetické energie. Právě skokové změny
rychlosti se v něm projevují jako velmi krátké špičkové impulzy, ke kterým ale ve skutečnosti
nedochází. Z tohoto důvodu jsou údaje o rychlosti vyhlazovány pomocí klouzavého průměru,
počet dat je stanoven na 4000 hodnot, což odpovídá 2s záznamu (Obrázek 61b). Obdobně
70
je vyhlazena i nadmořská výška, jejíž skoková změna se projeví nárůstem výkonu pro
překonání stoupání – získání potenciální energie. Nadmořská výška je průměrována po 10m
ujeté vzdálenosti.
Data pro výpočet výkonu elektromotoru (průběh proudu a napětí) jsou ponechána beze
změny. Ve své podstatě reprezentují aktuální elektrický příkon, který je nutné přepočítat na
výkon pomocí známé hodnoty účinnosti motoru.
(a)
(b)
Obrázek 61 (a) Exportovaný průběh rychlosti, (b) vyhlazený průběh rychlosti [autor]
Pro zjištění výkonu jezdce je třeba vycházet ze skutečnosti, že průběh síly působící na
pedál má sinusový, či případně trojúhelníkový charakter. Předpokládejme, že hodnota
působící síly bude mít amplitudu 300N a tvar sinusoidy. Protože jezdec zabírá pouze jednu
polovinou otáčky (neuvažujeme nášlapné pedály, které umožní tah), je nutné změřenou sílu
působící na pedál násobit váhovou funkcí, která bude mít tvar a) sinusoidy (Obrázek 62a) ve
tvaruUB 'V=W=?XBY, nebo b) trojúhelníkovéfunkce (Obrázek 62) UB C "
'V= P
ZLMN
#
· B " 0,5R.
(a)
(b)
Obrázek 62: Vážení síly působící na pedál (a) pomocí sinusoidy, (b) pomocí trojúhelníkové funkce.
71
Výslednou působící silou pak bude střední hodnota nově získané funkce. V našem
případě je střední hodnota vstupní síly 150N. Výsledná střední hodnota po vážení dává
127,3N (a), resp. 121,6N (b). Protože ve vzorcích se objevují oba typy signálu působící síly
(sinusový i trojúhelníkový) budeme uvažovat průměrnou hodnotu 124,45, což odpovídá
]T^
T+++
amplitudy. Výsledná síla působící na pedál bude tedy dána amplitudou změřené síly v
jednotlivém časovém úseku každé otáčky násobené konstantou 0,415.
Porovnáním průběhů okamžité síly působící na pedál mezi běžným kolem a vozidlem byl
zjištěno, že pravděpodobně z důvodu odlišného sklonu chodidla působícího na senzor se liší
i tvar signálu ze senzoru. Tvar signálu při jízdě na kole (Obrázek 63a) se tvarem skutečně
podobá výše uvedenému (Obrázek 62a) naproti tomu tvar signálu při jízdě na vozidle
(Obrázek 63b, c) je spíše podobný sinusoidě nebo dokonce obdélníku. Z toho důvodu je
střední hodnota pro vozidlo stanovena konstantou pro výpočet střední hodnoty dvou po sobě
#
jdoucích kladných vln, amplituda násobená.
(a)
(b)
72
(c)
Obrázek 63: Ukázky zaznamenaného logu okamžité síly působící na pedál pro (a) běžné jízdní kolo, (b) pro
konstruované vozidlo při nižší rychlosti, (c) pro vozidlo při vyšší rychlosti [autor]
Obrázek 63 zachovává měřítko obou os, čtenář si může udělat jasnou představu o
průběhu zaznamenávaného signálu. Pro signál zaznamenaný na vozidle je typický průběh
zachycen naObrázek 63b. Obrázek 63c znázorňuje signál při vysoké úhlové rychlosti.
Bohužel bylo zjištěno, že i velmi malá změna polohy chodila na pedálu v případě vozidla,
vede k zásadní změně snímaného signálu. Při jízdě na běžném kole je poloha pedálu
přibližně horizontální, to ale neplatí při šlapání vleže. Poznamenejme ještě, že právě pro
horizontální polohu byl senzor kalibrován. Hodnoty uvedené v Tabulka 20 jsou tedy jen
orientační.
Kompletní výpočetní soubory jsou uvedeny na přiloženém CD pro každou datovou sadu.
5.5 Výsledky měření
Díky provedeným měřením je k dispozici podrobný průběh rychlosti vozidla a výškový
profil testovací dráhy. Nejprve tedy uvedeme zpřesněné modely pro stanovení celkových
potřebných výkonů na ujetí dané trasy za daný čas.
Tabulka 19 nám dává kvalifikovaný odhad energetické náročnosti vozidla a
požadovaného průměrného výkonu v porovnání s běžným jízdním kolem. Oproti původnímu
modelu vozidla vychází tyto modely pro vozidlo příznivěji, což je dáno zejména podrobnějším
záznamem s vyšší vzorkovací frekvencí a vyšší rozlišovací úrovní (např. hodnoty nadmořské
výšky původního modelu byly zaokrouhleny na celé metry, skokové změny pak vedly
k nárůstu potřebného výkonu pro získávání potenciální energie). Za zmínku stojí, že vozidlo
s trakcí je řádově až dvakrát výkonnostně náročnější oproti běžnému jízdnímu kolu, což je
dáno zejména 4x vyšší hmotností a 2x vyšším valivým odporem. Rozdíl mezi běžným kolem
a vozidlem bez trakce není příliš veliký a srovnání lze dosáhnout snížením hmotnosti vozidla
zjednodušením konstrukce rámu. Model ukazuje, že je možné na uvažované trase udržovat
73
řádově stejnou rychlost jako na kole, s elektrickou trakcí je průměrná rychlost vyšší a
dosahuje požadovaných 25km/h.
režim
vavg [km/h]-log
vmax [km/h]-log
t [s]
Pcl [W]
Pa [W]
Proll [W]
Pacc [W]
Pcelk [W]
Wcelk [Wh]
Spotřeba [Wh/km]
HEH bez motoru
1
2
14.7
18.7
31.3
31.8
17:59 14:09
40.5
53.6
45.2
78.6
47.3
58.6
29.1
36.8
162.2 227.5
46.3
51.3
10.6
11.7
HEH s elektromotorem
Běžné kolo
3
9:15 - I 9:15 - II 9:20 - I 9:20 - II
1
2
20.4
21.5
25.3
21.2
20.5
16.7
18.7
32.6
31.9
31.9
32
30.1
27.1
27.3
12:53 12:36 10:23 12:21 12:28 15:45 14:06
61.9
98.8
103
81.9
84.7
38.3
45.2
98.9 131.5
153
92
91.6
60.1
81.8
63.9
82.4
87.5
73.6
73.4
19.4
21.8
38.6
54.3
46.8
49.4
67
15.2
24.9
263.3 367.1 390.4
297 316.6 133.1 173.7
54.3
66.5
66.7
59.8
62.7
34.9
39.9
12.4
15.2
15.2
13.6
14.3
8.0
9.1
3
21.9
30.2
11:58
55.5
127.3
25.4
31.8
240
46.5
10.6
Tabulka 19: Modelový výpočet výkonů potřebných pro pohon vozidla, energetická náročnost vozidla
(vavg-průměrná rychlost, vmax-maximální rychlost, t-čas, Pcl-výkon pro stoupání, Pa-výkon pro
překonání odporu vzduchu, Proll-vykon pro překonání valivého odporu, Pacc-výkon pro akceleraci,
Pcelk-celkový průměrný výkon, Wcelk-celková energie pro testovací trasu, Spotřeba) [autor]
Následující grafy (Obrázek 64a, b) představují kumulativní nárůsty energií pro jednotlivé
složky potřebných výkonů. Indexy se shodují s indexy výkonů uvedených v Tabulka 19.
(a)
(b)
Obrázek 64: Porovnání energetické náročnosti (a) vozidla vybaveného trakcí (9:15-II), (b) běžného jízdního
kola (maximální výkon jezdce) [autor]
Tabulka 20 ukazuje porovnání výkonů jezdce pro vozidlo bez trakční výbavy, s trakční
výbavou a jeho výkon na běžném jízdním kole. Poslední řádek dává informaci o odlišnosti
vůči modelu uvedenému v Tabulka 19. Hodnoty výkonu a celkové dodané energie se nejvíce
blíží pro měření na kole, kde se liší max. o 16%. Naproti tomu hodnoty výkonu jezdce na
zkoumaném vozidle, jsou značně zkreslené a neodpovídají ani mezi sebou. Hodnoty celkové
dodané energie vozidlu bez trakční výbavy v režimu 2 a 3 musely být ve skutečnosti
74
mnohem vyšší (proto také rozdíl oproti modelu o více než 30%). Je to dáno tím, že rozdíly
v působících silách jsou příliš malé a celková dodaná energie závisí na čase. V režimu 2 a 3
byla trasa projeta za kratší časový okamžik.
Vozidlo vybavené trakcí je porovnáváno s poloviční hodnotou celkové energie. Síla na
pedál v případě s poměrem 9:15 značně přesahuje očekávání, dalo by se usuzovat, že
přiřazení střední hodnoty tak, jak je uvedeno výše (tedy střední hodnota pro kladné sinusové
vlny) zde neplatí. Aplikací prvního odvozeného koeficientu pro střední hodnotu bychom ale
získali naopak nesmyslně nízké hodnoty. Znamená to, že pro pozici šlapání vleže by bylo
nutné senzor příšlapu upravit, tak aby velikost síly nebyla ovlivněna jejím směrem působení.
HEH bez motoru
Běžné kolo
1
2
3 9:15-I 9:15-II 9:20-I 9:20-II
1
2
vavg [km/h]
14.7
18.7
20.4
21.5
25.3
21.2
20.5
16.7
18.7
vmax [km/h]
31.3
31.8
32.6
31.9
31.9
32
30.1
27.1
27.3
t [s]
17:59 14:09 12:53 12:36 10:23 12:21 12:28 15:45 14:06
Fpedal [N]
118.6 121.3 133.9
147
147 122.9
74.3 111.8 128.1
Pjezdec [W]
132.7 156.3 183.6 212.6 240.3 169.4 104.6 131.3 161.1
Ejezdec [Wh]
38.3
33.8
36.6
36.6
30
32.4
17.9
33
34.8
Kadence [rpm]
117
104
99
108
94
98
108
113
107
Porovná ní s
model em E [Wh]
17.3% 34.1% 32.6% -10.1% 10.0%
-8.4% 42.9%
3
21.9
30.2
11:58
150.2
203.4
39
100
5.4% 12.8% 16.1%
Tabulka 20:Porovnání výkonu jezdce pro vozidlo bez trakční výbavy, s ní a pro běžné jízdní kolo [autor]
Obrázek 65 ukazuje průběh energie dodané jezdcem vozidlu. Sledujeme zde lineární
průběh, což je dáno přibližně konstantním výkonem jezdce po celou dobu jízdy. V okolí
časového úseku 300 jezdec nepřidával žádný výkon, jednalo se o úsek 4, kde je testována
akcelerace a pohon pouze elektromotorem.
Obrázek 65: Kumulativní energie dodaná jezdcem vozidlu při měření 9:15-2 [autor]
Tabulka 21 reprezentuje výsledky měření vozidla s elektrickou trakcí s převodovými
poměry 9:15 a 9:20. Testy pro obě varianty byly provedeny dvakrát. Vrchní oddíl předkládá
75
hodnoty naměřené wattmetrem (viz kapitola 5.3.3) a slouží pro porovnání s hodnotami
měřenými pomocí karty NI 6009 (viz kapitola 5.3) uvedenými v druhém oddílu. Je patrné, že
hodnoty Ehobby a Emotor jsou řádově stejné. Hodnota Ehobby představuje spotřebovanou energii,
zatímco hodnota Emotorznačí skutečně dodanou energii vozidlu (účinnost elektromotoru
dosahuje 75%). Dále je uveden průměrný výkon jezdce, Pjezdec a elektromotoru, Pmotor.
Odchylka proti modelu (rozdíl Pcelkem, resp. Ecelkem) se pohybuje do 15%, což neplatí při
druhém měření vozidla s převodovým poměrem 9:20. Hodnoty Q a E udávají hodnotu
spotřebované elektrické energie na kilometr trasy (odvozeno z příkonu). Třetí oddíl tabulky je
věnován odhadu dojezdu vozidla stanovený právě ze znalosti Q a E. V případě, že je vozidlo
osazeno převodovým poměrem 9:20 činí maximální dojezd 55km při vybití baterií na
50%(takto dlouhý test nebyl dosud realizován).
Průměrnou spotřebu vozidla s příšlapem můžeme porovnat se spotřebou obdobného
elektrického vozidla zkonstruovaného na FEL ČVUT v roce 2008 (24). Možnost příšlapu se
příliš neuplatnila vzhledem k jeho nevhodné konstrukci. V našem případě se na výkonu
jezdec podílí z 50%, což odpovídá záměru vozidla. V případě vozidla FELčinila spotřeba
13,5 až 15,8Wh/km při dosažení průměrné rychlosti řádově 8km/h, tedy až 3x méně než
v našem případě při zvýšené spotřebě. Maximální realizovaný dojezd činil 7,36km. Vozidlo
bylo vybaveno rekuperací, která dosahovala účinnosti až 10%, otázkou ale zůstává, do jaké
míry se baterie skutečně nabíjely.
Obrázek
66
podává
informaci
o
průběhu
dodávaného
výkonu
elektromotoru
v jednotlivých úsecích. Jak je uvedeno v Tabulka 21 – řádek Imax a jak je patrné na obrázku,
na sledovaném úseku 4 – Akcelerace (bez pomoci jezdce) dochází ke značnému přetížení
elektromotoru v důsledku přechodových jevů. Toto přetížení dosahuje i více jak 2 násobku
deklarovaného maximálního výkonu. Na obrázku jsou také patrné proudové průrazy při
spuštění motoru a to zejména na počátcích úseků 1. Na úseku 2 sledujeme optimální režim
práce motoru (přidává řádově 200W) s příšlapem jezdce.
76
Odhad
dojezdu
Měření kartou NI 6009
Měření
wattmetrem
9:15 - I
9:15 - II
9:20 - I
9:20 - II
Qhobby [Ah]
1,33
1,17
0,7
0,75
Ehobby [Wh]
44,2
40,5
24,8
25,7
Pmax [W]
755
739
730
764
Imax [A]
22,6
22,53
21,9
22,2
Iavg [A]
6,4
7,6
3,9
3,7
Imax [A]-log
42
45
53
41
Pjezdec [W]
212,6
240
169,4
104
Pmotor [W]
170
201
106
102
Pcelkem [W]
382,6
441
275,4
206
Ejezdec [Wh]
36
36
30
14
Emotor [Wh]
36
35
22
21
72
55,6%
-4,2%
-8,3%
1,4%
2,5%
0,3
10,0
18,0
19,5
30,0
32,5
71
54,4%
-13,0%
-6,4%
1,4%
2,7%
0,3
9,1
20,4
21,3
34,1
35,4
52
61,5%
7,3%
13,0%
1,3%
3,2%
0,2
5,6
34,2
34,7
57,0
57,9
35
50,5%
34,9%
44,2%
1,3%
2,5%
0,2
5,8
31,9
33,5
53,2
55,8
Etotal [Wh]
Podíl jezdce
Porovnání s modelem P [%]
Porovnání s modelm E [%]
stupeň přetížení [%]
stupeň přetížení [%]-log
Q [Ah/km]
E [Wh/km]
s [km] z Ah (70%)
s [km] z Wh (70%)
s [km] z Ah (50%)
s [km] z Wh (50%)
Tabulka 21: Výsledky testování vozidla vybaveného elektrickou trakcí [autor]
Obrázek 66: Graf okamžitého výkonu elektromotoru pro měření 9:15-II, rozdělení na měřené úseky [autor]
Dalším cílem práce bylostanovení asistenčního koeficientu motoru vozidla pro úseky 1 a
2. Bohužel ale není možné stanovit asistenční koeficient podle návrhu uvedeného v kapitole
5.2, protože nelze vhodně linearizovat hodnoty energií dodaných vozidlu při testování bez
77
motoru.Z toho důvodu provedeme alespoň porovnání vozidla s trakcí (měření 9:20-1) a
jízdního kola, ze kterého vyplývá, že pro dosažení průměrné rychlosti 21,5km/h potřebuje
jezdec na vozidle dodat přibližně o jednu třetinu méně energie než na jízdním kole (Tabulka
22). Lze usuzovat, že rozdíl při porovnání s vozidlem bez trakce, jak bylo uvažováno, by byl
ještě markantnější.
E jízdního kola
vavg [km/h] Ecelk [Wh]
16.9
34.9
18.9
39.9
22.2
46.5
21.5 --
regrese
35.1391
39.4771
46.6348
45.1165
HEH 9:20-1
Ejezdec [Wh] Rozdíl [%]
------32.4
28%
Tabulka 22: Porovnání vynaložené energie jezdce při jízdě na jízdním kole a na vozidle vybaveného
elektromotorem [autor]
Porovnání akcelerace vozidla s převodovým poměrem 9:15 a 9:20 pouze s využitím
elektromotoru na úseku 4shrnuje Tabulka 23. Úsek dlouhý 218m ujelo vozidlo v obou
případech za téměř shodný čas, což je způsobeno odlišným zrychlením a lze jej vysledovat
na grafu okamžité rychlosti(Obrázek 67). V obou případech bylo dosaženo maximální
rychlosti otáčení motoru pro zvolený převodový poměr.
vozidlo
09:15-2
09:20-2
amax
1.4
0.9
t celkem [s]
45.5
44.7
vmax [km/h]
25.8
22.5
Iavg [A]
Pavg [W] Imax [A]
14.3
9.3
491.1
334.5
45.2
41.4
Pmax [W] E [Wh]
1551
1491
E [Wh/km]
6.2
4.2
29.8
20.2
Tabulka 23: Porovnání akcelerace vozidla 9:15 a 9:20 [autor]
(a)
(b)
Obrázek 67: Porovnání okamžité rychlosti (a) vozidla 9:15 a (b) vozidla 9:20 [autor]
Závěrem uvedeme proměřené tepové frekvence jezdce (Tabulka 24), ze kterých je
patrné, že maximální hodnoty tepu Pulsmax shodně dosahují 159 tepů za minutu. Průměrné
hodnoty tepu Pulsavg se shodují jak pro vozidlo bez trakce, s ní i pro běžné jízdní kolo.
78
PulsAVG
PulsMAX
Puls>170
Puls<>
Puls>136
HEH bez motoru
1
2
117
132
130
00:00
00:00
17:59
141
00:00
03:09
11:00
Běžné kolo
3 9:15-I 9:15-II 9:20-I 9:20-II
1
2
147
104
147
126
131
109
129
157
00:00
11:20
01:33
130
00:00
00:00
12:36
159
00:00
08:24
01:59
143
00:00
00:50
11:31
147
00:00
02:50
09:38
129
00:00
00:00
15:45
145
00:00
03:54
10:12
Tabulka 24: Hodnoty tepové frekvence jezdce pro jednotlivé jízdy [autor]
79
3
148
159
00:00
09:30
02:28
6 Závěry a doporučení pro další vývoj
6.1 Závěr
Byl realizován funkční prototyp lehkého elektrického vozidla s hybridním pohonem
kombinujícího pohon lidskou silou s elektromotorem napájeným konvenčním typem baterií,
který lze reálně využít pro rekreační účely nebo pro denní dojíždění do práce. Zároveň byly
navrženy a realizovány jízdní testy. Pro potřeby vyhodnocení jízdních parametrů vozidla byl
nad rámec práce zkonstruován senzor pro snímání okamžité síly působící na pedál
vyvozené jezdcem s využitím technologie tenzometrických můstků.
Jednomístná konstrukce vozidla byla zhotovena z hliníkových profilů. Aby byla
zachována dostatečná tuhost rámu, byly zvoleny silnější hliníkové profily, což vedlo ke
zvýšení celkové hmotnosti vozidla, ale zároveň i robustnosti a odolnosti vůči rázům. Na
vozidle je použit prototypový volant s brzdovými pákami kopírujícími jeho tvar s důrazem na
ergonomii ovládání vozidla.
Hnací jednotkoubyl v průběhu projektu zvolen synchronní motor s permanentními
magnety a výkonem 450W namísto původně plánovaných dvou BLDC motorů umístěných
v nábojích zadních kol, především z důvodu nedostupnosti těchto motorů umožňující jejich
jednostranné zavěšení a komplikovaného řešení přenosu lidské síly na hnací nápravu.
Kladem je i nižší pořizovací cena, která by v případě dvou motorů byla minimálně
dvojnásobná. Převodový poměr byl zvolen 9:15 a 9:20, tak aby motor zajišťoval výkon do
maximální povolené rychlosti (25km/h) stanovené vyhláškou Ministerstva Dopravy. Zdrojem
elektrické energie jsou olověné trakční akumulátory řazené do série s celkovou kapacitou
648Wh (36V/18Ah).Pro zajištění bezpečnosti jsou na vozidle montovány diody bílé a červené
barvy v souhrnném počtu 80ks.
Během jízdních testů bylo potvrzeno, že trakční jednotka je schopna dlouhodobě
dodávat výkon až 200W a tím zajistit vyšší cestovní průměrnou rychlost. Na testovací trase
s průměrnými parametry (stoupání, klesání, povrch) srovnatelnými s přes 550km dlouhou
referenční trasou (Česká republika) dosahovalo vozidlo s převodovým poměrem 9:15
stabilně své konstrukční rychlosti až 30km/h, průměrná rychlost byla 25km/h. Za účelem
porovnání výkonu jezdce a elektromotoru byl zkonstruován senzor okamžité síly působící na
pedál. Funkčnost tohoto zařízení byla prokázána zejména při testech provedených na
jízdním kole, kdy byl senzor zatěžován stejným způsobem jako při jeho kalibraci. Během
testů na elektrovozidle se projevila závislost měřené síly na úhlu jejího působení způsobená
užitím ocelových podpor pro umístění nášlapné plochy. Od původního záměru působit přímo
na čidla muselo být upuštěno, protože pedál byl příliš vratký a šlapání nebylo možné. Testy
80
prokázaly, že pro dosažení průměrné rychlosti 21km/h vynaloží jezdec na vozidle
vybaveném elektropohonem o 1/3 méně energie než na běžném jízdním kole.
6.2 Doporučení pro další vývoj
Na základě zkušeností se stavbou vozidla lze definovat jasné cíle pro budoucí vývoj.
V první řadě se jedná o zjednodušení samotného rámu a to zejména jeho zadní části. Tato
se totiž ukázala poměrně složitou z hlediska výrobního procesu. Zároveň s využitím MKP
dimenzovat rám na požadované úrovni pevnosti a dosáhnout maximálního možného
odlehčení. Návrh nového prototypu by měl dále zahrnovat možnost skládání, což by vedlo
k úspoře skladovacího prostoru, resp. ke zlepšení manipulace s vozidlem. Zásadní podíl na
hmotnosti mají také akumulátory, které by v další fázi měly být nahrazeny technologiemi Liion, Li-POL nebo LiFePO4. Za úvahu také stojí užití BLDC motoru podobným způsobem, jako
byl využit stejnosměrný motor během tohoto projektu. Dnešní BLDC motory jsou schopny
dodávat větší momenty při nižších otáčkách, poskytují dobrý poměr hmotnosti a výkonu a
především dosahují účinnosti až 95%. Takový motor by mohl být instalován včetně měniče
nastavujícího výkon motoru podle dat z momentového či frekvenčního senzoru příšlapu
(kapitola 2.3.4).
Z hlediska řízení trakčního systému vozidla se zde nabízí možnost propojení
monitorovacího systému, který by snímal a zaznamenával hodnoty odebíraného proudu
s navigačním systémem, který zaznamenává projetou trasu a zároveň má informace o
plánované trase a jejím výškovém profilu. Na základě projeté trasy může takový systém
vyhodnotit pravděpodobné budoucí hodnoty vybíjecího proudu a potřebného výkonu pro
jednotlivé úseky trasy a může jezdce upozorňovat v případě nedostatečné kapacity baterií,
nebo mu doporučit body zájmu (POI), kde je možné baterie dobíjet. Bylo by také možné do
určité míry optimalizovat trasu z hlediska energetické náročnosti stoupání, tedy navržení
vhodnější, méně energeticky náročné trasy řidiči.
81
Citovaná literatura
1.
http://www.cyclegenius.com.
Cycle
Genius
Reumbents.
http://www.cyclegenius.com. [Online] http://www.cyclegenius.com/history.php.
2.
http://cs.wikipedia.org.
Wikipedie.
[Online]
10
2010.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Liegeraeder_1920er_Velorama.jpg.
3. www.samohyby.cz. Samohyby.cz. [Online] http://www.samohyby.cz/samohyby/4UZITECNE-INFORMACE/11-LEHOKOLA.
4.
http://cs.wikipedia.org.
Wikipedia.
[Online]
Ambike.
[Online]
http://cs.wikipedia.org/wiki/Velomobil#cite_note-1.
5.
http://ambike.com.
http://ambike.com/view.php?cisloclanku=2005051703.
6. Bilder. TrailCart. [Online] http://www.trailcart.eu/bilder/.
7. Gallery. SurreyCars. [Online] http://www.surreybikes.com/showroom.html.
8.
Recumbents.com.
World
Human
Powered
Speed
Challenge.
[Online]
http://www.recumbents.com/wisil/whpsc2010/speedchallenge.htm.
9.
adventuresofgreg.com.
ADVENTURESofGREG.
[Online]
http://adventuresofgreg.com/blog/category/hprecords/24hrdr/.
10. Kronika. K24. [Online] http://www.k24.signaly.cz/stranky/historie/2010.php.
11. Goodman, J. David. An Electric Boost for Bicyclists . NewYork Times. [Online] 31. 1
2010. http://www.nytimes.com/2010/02/01/business/global/01ebike.html?_r=1.
12. CoCycle. GoCycle. [Online] http://www.gocycle.com/.
13. Sinclair C5 - 1985. Speedace. [Online] http://www.speedace.info/sinclair_c5.htm.
14. Twike. Twike. [Online] http://www.twike.com/english/home/home.html.
15. Twike. Wikipedia. [Online] http://en.wikipedia.org/wiki/Twike.
16. Buchwaldek, David. HEPEV. HEPEV. [Online] http://www.esoteric-david.eu/czpage-33.html.
17.
HEPEV-diskuze.
nakole.cz.
[Online]
http://www.nakole.cz/diskuse/9104-novy-
velomobil.html.
18. Fuchs, Andreas.Series Hybrid Drive-System: Advantages for Velomobiles. Bern,
Gutenbergstrasse 24 : Human Power eJournal, 2008.
82
19. HTI, Andreas Fuchs | Hochschule für Technik und Informatik BFH -.Serie Hybrid
E-Fahrrad-Antrieb. Schlussbericht : E-Management-Integration, Oktober 2005. 250117.
20. Jan Cappelle, Philippe Lataire, Gaston Maggetto, Romain Meeusen, Farid
Kempenaers.
Characterisation
of
Electric
Bicycles
Performances.
[Online]
2002.
20.
2009.
http://etecmc10.vub.ac.be/publications/paperEVS-19.PDF. EVS-18.
21.
O'Dell,
John.
Blog
Edmunds.
Greencaradivisor.
[Online]
04
http://blogs.edmunds.com/greencaradvisor/2009/04/humancar-is-back-with-a-gridrechargeable-nev---people-still-needed.html.
22. Earth Day Special: The Human Car HC Imagine_PS. Futurecars. [Online]
FutureCars. http://www.futurecars.com/future-cars/electric-cars/earth-day-special-the-humancar-hc-imagineps.
23. EMMA GRUNDITZ, EMMA JANSSON. Modelling and Simulation of a Hybrid Electric
Vehicle for Shell Eco-marathon and an Electric Go-kart. Master of Science Thesis in Electric
Power Engineering. Göteborg, Sweden : CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,
Department of Energy and Environment, 2009.
24. Hřebík, Pavel.Trakční výzbroj vozidla s BLDC PM motory s planetovou
převodovkou, vestavěnými v náboji kola. Praha : ČVUT, Fakulta elektrotechnická, Katedra
elektrických pohonů a trakce, 2008.
25. Fuchs, A. Home. Series Hybrid Cycle Site by A. Fuchs. [Online] 10. December 2007.
[Citace: 11. 11 2010.] http://homepage.bluewin.ch/andreasfuchs/.
26. Anthony P. Marsh, Ph.D. What Determines The Optimal Cadence? Cycling
Science. [Online] 1996. http://www2.bsn.de/cycling/articles/cadence.html. CA 95819-6073.
27. Hull, M. L., Gonzalez, H., and Redfield, R. Optimization of pedaling rate in cycling
using
a
muscle
stress-based
objective
function.
http://www2.bsn.de/cycling/articles/cadence.html. 1988, 4, 1-21.
28. James Larminie, John Lowry. Electric Vehicle Technology. John Wiley & Sons Ltd,
The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England. [Online] 2003.
www.knovel.com. ISBN 978-0-470-85163-0.
29. Regulator & Kits. Crystalite. [Online] Crystalite. [Citace: ] http://www.crystalyte.com/.
30. Products. Suzhou Victory Sincerity Co., Ltd. [Online] Suzhou Victory Sincerity Co.,
Ltd. http://jcebike.en.china.cn/.
83
31. Landwer, Danny Too and Gerald E. Maximizing Performance in Human Powered
Vehicles: A literature review and directions for future research. Human Power eJournal.
[Online] 21. June 2008. http://www.hupi.org/HPeJ/0016/0016.html.
32. Too, D., & Landwer, G.E. Factors affecting performance in human-powered
vehicles: a biomechanical model. Human Power: Technical Journal of the Human Powered
Vehicle Association, 54. [Online] 2003.
33. [email protected]. Racing Car Technology. Racing Car Technology.
[Online] http://www.smithees-racetech.com.au/ackerman.html.
34. kolektiv, Petr Janda a.Podvozek a karosérie. Ivančice : SOŠ a SOU dopravní a
mechanizační Ivančice, 2007.
35.
Thunderbolt
Mk
III
Plans.
Hellbentcycles.
[Online]
Hellbentcycles.
http://www.hellbentcycles.com/order_plans.htm.
36. Archer, Sturmy. Helios Race. Helios Race. [Online] http://www.heliosrace.cz/.
37. S.R.O., ALCAN DĚČÍN EXTRUSIONS. Profily. [Online] http://www.alcan.cz.
38.
RECUMBENTS.COM.
RECUMBENTS.COM.
[Online]
http://www.wisil.recumbents.com.
39. Tire Rolling Resistance . Rouesartisanales. [Online] Rouesartisanales, 2006.
http://rouesartisanales.over-blog.com/article-1503651.html.
40. Lino Guzzella, Antonio Sciarretta.Vehicle propulsion systems:introduction to
modeling and optimization. Zurich : Springer, 2007. ISBN 978-3-540-74691-1.
41. Cetl, Tomáš.Aplikace elektrochemických zdrojů. Praha : Vydavatelství ČVUT, 2004.
ISBN 80-01-02859-3.
42.
Krnov,
Cyklistika.
Tepová
frekvence.
Cyklisitika
Krnov.
[Online]
http://www.cyklistikakrnov.com/Clanky/Clanky/Proc-merit-tepovou-frekvenci.htm.
43. National Instruments - Products. National Instruments. [Online] National Instruments,
2011. http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201987.
44. Corporation, Cosmo Electronics. GM Electronics. GM Electronics. [Online]
http://www.gme.cz/cz/p-mk472-p634-286.html.
84
Příloha A – Elektromotor, měření elektromotoru
(a)
(b)
(c)
Příloha A: Vnitřní části elektromotoru: (a) horní část, (b) dolní část, (c) převodové ústrojí
85
(a)
(b)
(c)
86
(d)
(e)
Příloha A: Měření elektromotru: (a – b) pohled na měřící stanoviště, (c) upevnění elektromotoru, (d) měřící
stanoviště, (e) sondy pro měření proudu a napětí
87
Příloha B – Zapojení kontroleru motoru
88
Příloha C – ukázka výpočetního algoritmu 1
Výpočetní algoritmus modelu z naměřených hodnot okamžitých rychlostí a nadmořské výšky.
clc;
clear;
fvz=2000;%vzorkovaci frekvence mereni v Dewesoftu
Tvz=1/fvz;
%nacteni souboru, definice velicin
DELIMITER = '\t';
HEADERLINES = 11;
newData = importdata('gps-v.txt', DELIMITER, HEADERLINES);
cas=newData.data(:,1);% uplynuly cas
vkmh=newData.data(:,2);% rychlost
vysky = importdata('vysky.txt');
n=length(cas) %konecny index vyhodnocovani dat
%prepocet rychlosti na m/s, nulovani
v=vkmh./3.6;
for k=1:n
if v(k)<0.05
v(k)=0;
end
end
%vyhlazeni rychlosti
v=smooth(v,4000);
%vyhlazeni vysky
vysky=smooth(vysky,20);
%podvzorkovani
podvz=100; %hodnota podvzorkovani (musi byt stejna jako v profil.m)
casF=zeros(floor(n/podvz),1);
vF=zeros(floor(n/podvz),1);
p=ones(n,1);
poc=0;
idx=1;
for k=101:n
poc=poc+p(k);
if poc==podvz
vF(idx)=mean(v(k-100:k));
casF(idx)=cas(k);
poc=0;
idx=idx+1;
end
end
n2=length(vF);
%vypocet vzdalenosti
TvzF=Tvz*podvz;
d=vF.*TvzF;
dist=sum(d)
%prirazeni hodnot podle vzdalenosti
distUsek=0.5; %volena vzdalenost pro odber vzorku
%(musi byt stejna jako pro urcovani vysky - viz soubor profil.m)
soucet=0; %pocitadlo vzdalenosti pro odber vzorku distUsek
89
soucty=[]; %vypis jednotlivych vzdalenosti pro kontrolu
alt=[]; %nadmorske vysky odebiranych vzorku
rychlost=[]; %prumerna rychlost odebraneho vzorku
predchozi=1; %index pocatku intervalu
casF=[]; %cas odebiraneho vzorku
idx=1; %indexace
for k=1:n2
if idx<=8776
soucet=soucet+d(k);
soucty(end+1)=soucet+d(k);
if soucet>=distUsek
alt(end+1)=vysky(idx);
rychlost(end+1)=mean(vF(predchozi:k));
casF(end+1)=(k-predchozi)*TvzF;
predchozi=k;
idx=idx+1;
soucet=soucet-distUsek;
end
end
end
pocetInt=length(alt);
%vykon v kazdem okamziku
m=150; %hmotnost vozidla s jezdcem
g=9.81; %gravitacni zrychleni
Cd=0.8; %koeficient odporu vzduchu
Ro=1.25; %hustota vzduchu?
S=0.7; %celni plocha vozidla
fv=0.002; %soucinitel valiveho odporu
%zrychleni
a=[];
for k=2:pocetInt
a(k)=(rychlost(k)-rychlost(k-1))/casF(k-1);
end
%sklon
s=[];
for k=2:pocetInt
s(k)=sin(atan((vysky(k)-vysky(k-1))/distUsek));
end
%vypocet vykonu
Fcl=zeros(pocetInt,1);
Fa=zeros(pocetInt,1);
Facc=zeros(pocetInt,1);
Froll=zeros(pocetInt,1);
F=zeros(pocetInt,1);
Pcl=zeros(pocetInt,1);
Pa=zeros(pocetInt,1);
Pacc=zeros(pocetInt,1);
Proll=zeros(pocetInt,1);
Pcelk=zeros(pocetInt,1);
Pc=zeros(pocetInt,1);
for k=2:pocetInt
Fcl(k)=m*g*s(k);
if (Fcl(k)<0)
90
Fcl(k)=0;
else
Fcl(k)=Fcl(k);
end
Fa(k)=0.5*Ro*Cd*S*rychlost(k)^2;
Facc(k)=m*a(k);
if (Facc(k)<0)
Facc(k)=0;
else
Facc(k)=Facc(k);
end
Froll(k)=fv*m*g*4;
F(k)=Fcl(k)+Fa(k)+Facc(k)+Froll(k);
Pcl(k)=Fcl(k)*rychlost(k);
Pa(k)=Fa(k)*rychlost(k);
Pacc(k)=Facc(k)*rychlost(k);
Proll(k)=Froll(k)*rychlost(k);
Pcelk(k)=rychlost(k)*F(k);
if (Pcelk(k)<0)
Pc(k)=0;
else
Pc(k)=Pcelk(k);
end
end
% Vypocet energie
Wb=zeros(pocetInt,1);
WB=zeros(pocetInt,1);
WFcl=zeros(pocetInt,1);
WFa=zeros(pocetInt,1);
WFacc=zeros(pocetInt,1);
WFroll=zeros(pocetInt,1);
for j=2:pocetInt
WFcl(j)=WFcl(j-1)+Pcl(j)*casF(j);
WFa(j)=WFa(j-1)+Pa(j)*casF(j);
WFacc(j)=WFacc(j-1)+Pacc(j)*casF(j);
WFroll(j)=WFroll(j-1)+Proll(j)*casF(j);
Wb(j)=Wb(j-1)+Pcelk(j)*casF(j);
WB(j)=WB(j-1)+Pc(j)*casF(j);
end
% prepocet na Wh
WFcl=WFcl/3600;
WFa=WFa/3600;
WFacc=WFacc/3600;
WFroll=WFroll/3600;
Wb=Wb/3600;
WB=WB/3600;
91
Příloha D – ukázka výpočetního algoritmu 2
Výpočetní algoritmus pro určení okamžitého výkonu jezdce a jím vložené energie.
clc;
clear;
fvz=2000;%vzorkovaci frekvence mereni v Dewesoftu
Tvz=1/fvz;
%nacteni souboru, definice velicin
DELIMITER = '\t';
HEADERLINES = 11;
newData = importdata('filtred-F-ot.txt', DELIMITER, HEADERLINES);
cas=newData.data(:,1);% uplynuly cas
rpm=newData.data(:,2);% otacky
F=newData.data(:,3);% sila pusobici na pedal
r=0.17; %rameno pedalu
n=length(cas); %konecny index vyhodnocovani dat
indTd=0;
for k=1:n-5
if (((rpm(k+5))<100)&(rpm(k)>=40000)&(k+1-indTd(end)>50))
indTd=[indTd;k+5];
end
end
indTd(1,:)=[];%nulovani prvni hodnoty
dimindTd=length(indTd);
Tdilci=zeros(dimindTd-1,1); %casove intervaly
for k=1:length(indTd)-1
Tdilci(k)=(indTd(k+1)-indTd(k))*Tvz;
end
%vypocet pusobici sily pomoci stredni hodnoty
lengTd=length(Tdilci);
Fstr=zeros(lengTd,1);
for k=1:lengTd
Fstr(k)=max(F(indTd(k):indTd(k+1)))*0.53;
end
%kontrola kadence
kadence=sum(Tdilci)/lengTd*60*2; %otacky za minutu
%identifikace klidu (jezdec neslape)
for k=1:lengTd-1
if indTd(k)<2
F(k)=0;
else
F(k)=F(k);
end
end
%mean(Fstr)
%vypocet uhlove rychlosti
omega=zeros(lengTd,1);
for k=1:lengTd
omega(k)=2*pi/Tdilci(k);
end
92
%vypocet vykonu
Pj=Fstr.*omega;
Pjezdec=Pj*r;
%Energie jezdec
Wb=zeros(lengTd,1);
for j=2:lengTd
Wb(j)=Wb(j-1)+Pjezdec(j)*Tdilci(j);
end
Wb=Wb/3600;
93

Práce je ke stažení zde. - Pohony elektrických vozidel

Transkript

Podobné dokumenty

Z-ANO - České vysoké učení technické v Praze

Noviny Zažít město jinak 2012

Radiační odolnost výkonových součástek na bázi SiC

E-mobilita - rady, tipy, informace

Mír noci

1. Matematický model jízdy vlaku. 1.1 Úvod

Výroční zpráva 2012

Firma pracující v prostředí Google