Adam Litwinowicz, Emil Król

1. Wstęp

Wraz z dynamicznym rozwojem elektromobilności pojawiła się potrzeba określenia, czy środki smarne stosowane w przekładniach pojazdów z napędem elektrycznym, takie jak oleje i smary ulegają szybszemu zużyciu i degradacji w porównaniu do tych wykorzystywanych w przekładniach pojazdów spalinowych. Zagadnienie to ma istotne znaczenie dla projektowania trwałych i efektywnych układów przeniesienia napędu w pojazdach elektrycznych, w których występują odmienne charakterystyki momentowe i temperaturowe. W odpowiedzi na tę potrzebę opracowano programowalne stanowisko badawcze przeznaczone do oceny procesu degradacji oleju przekładniowego w przekładniach zębatych pracujących w warunkach rzeczywistego obciążenia. Stanowisko umożliwia prowadzenie długoterminowych testów emulujących warunki eksploatacji przy jednoczesnym monitorowaniu kluczowych parametrów pracy przekładni.

Jednym z głównych założeń projektowych było zapewnienie środowiska testowego, w którym środek smarny pracuje w warunkach możliwie najbliższych rzeczywistej eksploatacji przekładni w pojeździe elektrycznym. Do badań wybrano przekładnię pochodzącą z samochodu Renault ZOE, integrującą w jednej obudowie przekładnię oraz mechanizm różnicowy. W konfiguracji Renault ZOE pojazdu element ten odpowiada za przeniesienie momentu obrotowego z silnika elektrycznego na przednie koła napędowe, co czyni go reprezentatywnym układem do analiz tribologicznych i wytrzymałościowych. W trakcie projektowania stanowiska uwzględniono również możliwość łatwej wymiany zarówno środka smarnego, jak i kół zębatych w badanej przekładni, co umożliwia prowadzenie badań porównawczych w różnych warunkach pracy bez konieczności czasochłonnej przebudowy układu.

Jako silnik główny zastosowano synchroniczną maszynę elektryczną z magnesami trwałymi (PMSM – Permanent Magnet Synchronous Motor) [1], wyróżniającą się wysoką sprawnością i dużą dynamiką [2–5] Ze względu na stacjonarny charakter stanowiska badawczego, w miejscach odpowiadających osiom kół pojazdu zainstalowano dwie maszyny elektryczne odbierające moc mechaniczną – również z magnesami trwałymi – sprzęgnięte z badaną przekładnią poprzez specjalistyczne przekładnie planetarne.

Maszyny obciążające pracują w trybie generatorowym [3, 5], a odzyskana energia elektryczna kierowana jest z powrotem do obwodu zasilającego główny silnik napędowy lub w przypadku braku zapotrzebowania na energie elektryczną przez silnik napędowy trafia ona do akumulatora stabilizującego. Tego typu konfiguracja energetyczna określana jako „praca w oczku” pozwala na efektywne obciążenie przekładni zadanym momentem obrotowym i prędkością przy minimalnym poborze energii z sieci zasilającej, ograniczonym wyłącznie do pokrycia strat energii w całym układzie stanowiska badawczego. Rysunek 1 przedstawia schemat kinematyczny stanowiska.

2. Dobór komponentów

Silnik napędowy wybrano z typoszeregu maszyn elektrycznych produkowanych przez Łukasiewicz Górnośląski Instytut Technologiczny – Centrum Napędów i Maszyn Elektrycznych. Wybór silnika napędowego podyktowany był jego parametrami technicznymi, które przewyższają charakterystykę jednostki napędowej oryginalnie stosowanej w pojeździe Renault ZOE. Zastosowany silnik to ośmiobiegunowa synchroniczna maszyna elektryczna z magnesami trwałymi umieszczonymi wewnątrz wirnika (IPMSM – Interior Permanent Magnet Synchronous Motor). Jednostka ta generuje moc maksymalną przekraczającą 100 kW, jednak z uwagi na ograniczenia układu testowego została ona elektronicznie zredukowana do 100 kW. Moment obrotowy silnika przekracza 245 Nm, jednak ze względów bezpieczeństwa oraz ograniczonego momentu wejściowego przekładni testowej (245 Nm) również został ograniczony. Maksymalna prędkość obrotowa silnika wynosi 10 000 obr./min. Na podstawie charakterystyk znamionowych i maksymalnych napędu głównego dobrano odpowiednie przełożenie dla zespołów obciążających. W roli przekładni pośrednich pracujących na półosiach badanej skrzyni biegów, zastosowano precyzyjne przekładnie planetarne firmy Wittenstein o przełożeniu 1:5, pełniące funkcję multiplikatorów. Spełniają one wymagania w zakresie sprawności oraz kompatybilności z zakresem prędkości układu. Maszyny obciążające stanowią synchroniczne silniki sześciobiegunowe z magnesami trwałymi, zaprojektowane i wykonane również przez Centrum Napędów i Maszyn Elektrycznych. Każda z jednostek dysponuje mocą maksymalną ponad 60 kW, momentem obrotowym do 120 Nm oraz prędkością maksymalną 7000 obr./min. Parametry te zapewniają zgodność z wymaganym zakresem pracy stanowiska oraz elastyczność w konfiguracji testów dynamicznych. Z uwagi na specyficzne wymagania funkcjonalne stanowiska – takie jak ograniczona moc przyłącza energetycznego (maksymalnie 25 kW) oraz brak możliwości zwrotu energii do sieci elektroenergetycznej – konieczne było zastosowanie wewnętrznego zasobnika energii. W tym celu wykorzystano akumulator litowo-jonowy o napięciu znamionowym 357,7 V i dopuszczalnym ciągłym prądzie rozładowania 150 A. Zasobnik ten pełni rolę bufora energetycznego, stabilizującego pracę układu napędowego w trybie zamkniętego obiegu energetycznego (tzw. „praca w oczku”). W celu uzupełniania energii w zasobniku oraz wspomagania układu przy pełnym obciążeniu zastosowano przemysłową ładowarkę firmy TWERD, model EVC1000. Urządzenie to zasilane jest z trójfazowej sieci 3 × 400 V i dostarcza maksymalnie 50 kW mocy. Umożliwia ono zarówno ładowanie zasobnika, jak i stabilizację zasilania podczas dynamicznych zmian obciążenia. Do zasilania silników PMSM zastosowano falowniki trakcyjne firmy BorgWarner, serii Gen 4. Dla głównego silnika napędowego wykorzystano model Size 10, natomiast dla dwóch maszyn obciążających – po jednym falowniku Size 8. Falowniki te cechują się wysoką dynamiką pracy, możliwością precyzyjnej regulacji momentu i prędkości, a także umożliwią pracę silnika z regeneracją energii mechanicznej. Sterowanie całością układu stanowiska badawczego realizowane jest za pomocą kontrolera HY-TTC 540 firmy TTControl, kompatybilnego z oprogramowaniem Codesys i zgodnego z wymaganiami w zakresie bezpieczeństwa funkcjonalnego (normy SIL). Sterownik zarządza przebiegiem testów, akwizycją danych oraz współpracą z układami napędowymi i pomiarowymi. Konstrukcja mechaniczna stanowiska została oparta na stalowej ramie wykonanej z zamkniętych profili spawanych, zapewniających odpowiednią sztywność oraz trwałość eksploatacyjną. Ze względów logistycznych (transport, montaż, obsługa serwisowa), konstrukcję podzielono na trzy niezależne moduły. Każdy z układów napędowych (silnik wraz z falownikiem) wymaga niezależnego chłodzenia cieczowego. W tym celu zastosowano trzy oddzielne obiegi cieczy chłodzącej, z których każdy współpracuje z osobnym płytowym wymiennikiem ciepła. Cyrkulację cieczy zapewnia pompa obiegowa IBO MAGI 25-120/180, dostosowana do charakterystyki przepływu i wymaganej wydajności cieplnej. Aby możliwe było zapewnienie warunków chłodzenia przekładni zbliżonych do tych występujących w realnej eksploatacji pojazdu, stanowisko wyposażono dodatkowo w wentylator chłodzący przekładnie badaną. Zastosowano promieniowy wentylator Venture Industries SEM-2C-160/062, o mocy 278 W i wydajności 565 m³/h, umożliwiający aktywne chłodzenie obudowy przekładni badawczej.

3. Projekt stanowiska badawczego

Na podstawie dostępnej dokumentacji technicznej poszczególnych komponentów stanowiska oraz wykorzystując wieloletnie doświadczenie zespołu projektowego i wspomagając się profesjonalnym oprogramowaniem inżynierskim CAD, opracowano trójwymiarowy model ramy stanowiska badawczego. Konstrukcja ramy została podzielona na trzy segmenty łączone ze sobą za pomocą śrub, co umożliwia modułowy montaż i ułatwia transport oraz serwisowanie systemu. Połączenia skręcane zaprojektowano w miejscach, gdzie nie występuje konieczność zapewnienia współosiowości elementów wirujących, co pozwoliło zminimalizować ryzyko niewyważenia układu. Taka architektura była możliwa dzięki zastosowaniu prefabrykowanych półosi pochodzących z samochodu Renault ZOE – identycznych z tymi, które współpracują z badaną przekładnią w warunkach eksploatacyjnych. Ich zastosowanie zapewniło odpowiednią kompensację niewspółosiowości oraz uprościło konstrukcję mechaniczną. Rama oraz wszystkie połączenia mechaniczne zostały zaprojektowane z uwzględnieniem sił wynikających z masy poszczególnych komponentów, ciężaru własnego konstrukcji oraz momentów obrotowych generowanych podczas pracy układu. W celu weryfikacji wytrzymałościowej konstrukcji przeprowadzono serię symulacji numerycznych (MES) pozwalających na ocenę rozkładu i wartości maksymalnych naprężeń w elementach konstrukcyjnych. Dodatkowo, nad wszystkimi elementami wirującymi zaprojektowano osłony zabezpieczające, mające na celu ochronę operatora oraz spełnienie wymagań BHP. W osłonach tych przewidziano otwory montażowe umożliwiające instalację czujników obecności, co pozwala na realizację funkcji bezpieczeństwa funkcjonalnego np. blokady pracy napędu przy zdjętej osłonie.

W układzie przewidziano odpowiednie przestrzenie montażowe dla wszystkich kluczowych komponentów stanowiska, a także opracowano ergonomiczny i szybki sposób demontażu badanej przekładni, co umożliwia wymianę kół zębatych w przypadku zaistnienia takiej konieczności.
Dla wszystkich połączeń śrubowych określono wymagane momenty dokręcające, zgodne z normami konstrukcyjnymi i wytrzymałościowymi. W przypadku połączeń narażonych na drgania lub cykliczne obciążenia przewidziano stosowanie kleju do zabezpieczania gwintów, co zapewnia ich trwałość i odporność na samoczynne luzowanie.

Istotnym wyzwaniem projektowym było zapewnienie zarówno ergonomii użytkowania, jak i wysokiego poziomu bezpieczeństwa eksploatacji. Konstrukcja stanowiska została zaprojektowana zgodnie z aktualnymi normami technicznymi, z uwzględnieniem łatwego dostępu serwisowego, intuicyjnego rozmieszczenia elementów sterujących oraz minimalizacji ryzyka błędów obsługi.

4. Układ sterowania

W celu realizacji stanowiska zaprojektowano połączenia elektryczne wszystkich urządzeń zgodnie z ich dokumentacją techniczną. Układ połączeń obejmuje dwa główne podsystemy: obwody mocy oraz obwody sterowania. Obwód mocy łączy wysokoprądowe strony falowników trakcyjnych, akumulator, ładowarkę oraz poprzez przekaźniki rezystory hamujące, zapewniające możliwość rozpraszania nadmiaru energii w sytuacjach awaryjnych (np. odłączenie akumulatora stabilizującego). Obwód sterowania odpowiedzialny jest za transmisję sygnałów niskoprądowych. Realizuje on połączenia pomiędzy sterownikiem nadrzędnym a czujnikami temperatury, falownikami, przekaźnikami, akumulatorem stabilizującym i ładowarką. Wymiana danych odbywa się za pośrednictwem magistrali szeregowej CAN. Dodatkowa, niezależna magistrala CAN została przewidziana do komunikacji z komputerem klasy PC, z którego zadawane są parametry testowe podczas prowadzenia badań degradacji oleju. Schemat blokowy połączeń przedstawiono na rysunku 2.

Cały obwód sterowania zasilany jest z przetwornicy ACDC o napięciu wyjściowym 12 V. Poszczególne urządzenia w tym obwodzie są indywidualnie zabezpieczone za pomocą wkładek topikowych. Falowniki oraz ładowarka są fabrycznie wyposażone w dodatkowy obwód bezpieczeństwa, którego przerwanie skutkuje natychmiastowym wyłączeniem stopnia mocy danego urządzenia. Obwody te wykorzystano w implementacji sprzętowego zabezpieczenia uruchamianego za pomocą przycisku bezpieczeństwa (Emergency Stop). Do sterownika nadrzędnego podłączone są sygnały wejściowe, takie jak: informacja o otwarciu pokryw ochronnych elementów wirujących, temperatura badanego oleju w przekładni, stan stacyjki, temperatury przekładni planetarnych oraz cieczy chłodzonych poszczególne części stanowiska. Na podstawie tych sygnałów oraz danych przesyłanych przez magistralę CAN, sterownik realizuje pełny algorytm pracy stanowiska testowego. Akumulator, oprócz swojej funkcji stabilizującej napięcie systemowe, udostępnia również sygnał potwierdzający załączenie wewnętrznego stycznika głównego. Na podstawie tego sygnału zrealizowano sprzętowy obwód zabezpieczający, chroniący falowniki silników obciążających oraz ładowarkę przed wysokim napięciem indukowanym w sytuacji, gdy rozpędzony silnik napędowy nie jest prawidłowo sterowany poprzez falownik zasilający (stan awaryjny).

5. Algorytm działania

W sterowniku nadrzędnym działa specjalistyczne oprogramowanie sterujące, odpowiedzialne za sekwencyjne i bezpieczne uruchamianie poszczególnych komponentów stanowiska badawczego. Po załączeniu napięcia zasilającego system przechodzi w tryb oczekiwania na inicjalizację transmisji danych za pośrednictwem magistrali CAN, realizowaną z poziomu komputera klasy PC. Po nawiązaniu komunikacji rozpoczyna się weryfikacja stanu urządzeń peryferyjnych oraz kontrola sygnałów wejściowych, w tym sygnałów bezpieczeństwa i sygnałów z czujników stanu stanowiska. Jeśli nie zostaną wykryte żadne nieprawidłowości, system przechodzi do trybu gotowości i oczekuje na przesłanie parametrów testu. Po odebraniu wymaganych danych – takich jak charakterystyka prędkościowa, poziomy momentów obciążenia oraz liczba powtórzeń cyklu – sterownik przesyła do falowników odpowiednie komendy uruchamiające. Silnik główny otrzymuje polecenie utrzymania określonej prędkości obrotowej, natomiast falowniki maszyn obciążających są sterowane zgodnie z zadanym momentem hamującym [6, 7] Ze względu na obecność mechanizmu różnicowego w badanej przekładni, konieczne jest ciągłe monitorowanie oraz synchronizacja prędkości obrotowych obu silników obciążających. Pozwala to uniknąć niepożądanych stanów pracy oraz asymetrii obciążenia. Wybrane parametry pracy, takie jak prędkość, moment obrotowy i temperatura, są przesyłane do komputera PC, gdzie są prezentowane w formie wartości liczbowych oraz wykresów w czasie rzeczywistym, a następnie zapisywane w pliku danych. Sterownik nadrzędny pełni również funkcję systemu bezpieczeństwa, nadzorując występowanie stanów awaryjnych, takich jak: otwarcie pokryw ochronnych nad elementami wirującymi, zanik napięcia zasilającego, rozłączenie falownika silnika obciążającego lub przekroczenie wartości granicznych parametrów pracy. System na bieżąco porównuje zmierzone temperatury (oleju, przekładni, cieczy chłodzącej) z ustawionymi progami alarmowymi. W zależności od stopnia przekroczenia danego parametru, generowany jest komunikat ostrzegawczy lub alarm, który może skutkować natychmiastowym wyłączeniem układu napędowego.

6. Podsumowanie

W artykule przedstawiono opracowanie i wdrożenie stanowiska badawczego przeznaczonego do analizy procesu degradacji oleju przekładniowego w warunkach odpowiadających rzeczywistej eksploatacji pojazdu elektrycznego. W oparciu o przekładnię z pojazdu Renault ZOE zaprojektowano układ pozwalający na precyzyjne odwzorowanie warunków pracy, zarówno pod względem obciążeń mechanicznych, jak i warunków temperaturowych. Zastosowanie wysokosprawnych maszyn elektrycznych z magnesami trwałymi oraz układu odzysku energii w konfiguracji „oczka” pozwala na prowadzenie długoterminowych testów przy minimalnym poborze energii z sieci. Stanowisko sterowane jest za pomocą systemu zgodnego z wymaganiami bezpieczeństwa funkcjonalnego, opartego na magistrali CAN, umożliwiającego monitorowanie wszystkich parametrów pracy w czasie rzeczywistym. Dzięki konstrukcji umożliwiającej szybką wymianę środka smarnego oraz elementów przekładni, możliwe jest prowadzenie testów porównawczych i tribologicznych z dużą elastycznością i powtarzalnością. Na rysunku 3 przedstawiono opisywane stanowisko przygotowane do pracy. Realizacja projektu przyniosła również szereg praktycznych obserwacji w zakresie integracji i sterowania zespołami napędowymi z wieloma silnikami PMSM. Etapy doboru komponentów, projektowania, wykonania i uruchamiania stanowiska, a także implementacja algorytmów sterowania i analiza wstępnych parametrów pracy, przyczyniły się do znacznego rozwoju kompetencji zespołu inżynierskiego. Proces ten umożliwił głębsze zrozumienie dynamiki układów mechanicznych i charakterystyki pracy przekładni w warunkach elektromobilności. Wielogodzinne testy środków smarnych, które będą realizowane z wykorzystaniem tego stanowiska, dostarczą danych o istotnym znaczeniu praktycznym. Ich analiza może bezpośrednio przełożyć się na rozwój nowych technologii i rozwiązań materiałowych dedykowanych pojazdom elektrycznym, wspierając dalszy postęp w dziedzinie efektywnego i trwałego przeniesienia napędu.

Literatura

1. Glinka T.: Maszyny elektryczne i transformatory. Wydawnictwa Naukowe PWN, 2018.
2. Hwang Y.-H., LeeJ.: HEV Motor Comparison of IPMSM With Nd Sintered Magnet and Heavy Rare-Earth Free Injection Magnet in the Same Size, IEEE Trans. Appl. Supercond., t. 28, nr 3, s. 1–5, kwi. 2018.
3. Król E., Wolnik T.: Silniki PMSM do zastosowań trakcyjnych – właściwości układu zasilania ograniczające parametry silnika. Maszyny Elektryczne – Zeszyty Problemowe, 2(126)/2021.
4. Rossa R.: Napęd elektryczny ekit – kształtowanie charakterystyk elektromechanicznych wybranymi zabiegami konstrukcyjnymi. Maszyny Elektryczne – Zeszyty Problemowe, 2(126).
5. Rossa R. i Król E.: Regulacja prędkości obrotowej w napędzie elektrycznym «e-Kit» dedykowanym do elektryfikacji małych samochodów osobowych i dostawczych. Maszyny Elektryczne – Zeszyty Problemowe, 4(97)/2012.
6. Halder S., Srivastava S.P., Agarwal P.: Flux weakening control algorithm with MTPA control of PMSM drive, w 2014 IEEE 6th India International Conference on Power Electronics (IICPE), Kurukshetra, India: IEEE, grudz. 2014.
7. Lee K.-W., Lee S.B.: MTPA operating point tracking control scheme for vector controlled PMSM drives, w SPEEDAM 2010, Pisa, Italy: IEEE, cze. 2010.

Adam Litwinowicz, adam.litwinowicz@git.lukasiewicz.gov.pl
Emil Król, emil.krol@git.lukasiewicz.gov.pl
Sieć Badawcza Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny – Centrum Napędów i Maszyn Elektrycznych.