Технология за хибридно задвижване на автомобила Феникс на TUS Team, Технически Университет – София

На фигурата по-долу е показана опростена схема на задвижването на автомобила, която е базова и често претърпява промени, в зависимост от стратегията за управлението му. Тя е изцяло съобразена с изискванията на състезанието Shell Eco-marathon и е разработена така, че да постига максимална ефективност на задвижването и да има възможно най-ниска консумация на енергия. Ето някои от изискванията към нея:

• позволено е използването на аксесоарна батерия за включване на контролера, който да задейства горивната клетка и той да започне да снабдява всички консуматори с енергия;
• аксесоарната батерия не трябва да захранва никакви консуматори, които са отговорни за задвижването на автомобила по време на движение;
• като система за съхранение следва да се използват само суперкондензатори, като тяхното напрежение в края на всяка обиколка трябва да е поне равно на напрежението в началото на обиколката;
• максималното напрежение на задвижващите електромотори е 48V;
• регенеративното спиране не се прилага поради ниската му ефективност при такъв тип автомобили;
• не е позволено зареждането с гориво по време на състезанието – използваният резервоар е с вместимост 1 l водород при налягане 200 bar;
• вентилацията на хибридната система трябва да е разположена възможно най-високо в отделението, където клетката се помещава, с минимален размер на вентилационния отвор 500 mm²;
• потенциални течове на гориво трябва да се засичат чрез възприемател за водород, който веднага да спира работата на клетката при отчитане на теч и концентрация на водород над 1% в атмосферата (25% от опасната минимална концентрация за запалване);
• задължително наличие на два аварийни бутона – един, достъпен от пилотската кабина и още един – извън нея;
• системата трябва да е снабдена с реле, прекъсващо захранването на електродвигателите при аварийни ситуации;
• в снабдяващата с водород система трябва да са инсталирани регулатор на налягането и изпускателен вентил;
• измерването на консумираното гориво се извършва само от калибриран от организаторите масов дебитомер;
• хидравличните маркучи в системата трябва да изпълняват изискванията за пренос на водород;
• задължително спиране и изключване на автомобила в края на всяка обиколка с цел симулиране на градски условия на движение.

Както е видно от фигурата, автомобилът е снабден с регулатор на налягането и изпускателен вентил, през които водородът от резервоара стига до дебитомера, отчитащ консумацията на гориво. Регулатор занижава налягането на горивото от 200 на изхода на резервоара до 0.5 bar надналягане на входа на изпускателния вентил.  Горивото достига до протонообменната горивна клетка, която генерира електричество и захранва всички консуматори от веригата за задвижване автомобила – контролери, DC-DC преобразуватели, електродвигатели и суперкондензатори. Контролерът на клетката управлява работата му и дозирането на горивото през снабдяващия клапан в зависимост от положението на педала за ускорение. Този контролер от своя страна в началото на всяка обиколка се захранва от аксесоарната батерия, за да стартира работата на клетката, а след това се захранва от нея самата. Аксесоарната батерия е отговорна и за захранването на възприемателя за изтичане на водород и за допълнителното оборудване на автомобила – чистачки, светлини, ел. табло и др. В случай на авария поради отчитане на теч, или задействане на някой от аварийните бутони, контролерът спира подаването на гориво и изключва електродвигателите и горивния елемент. Получената вода при работата на ГЕ се изхвърля от автомобила през очистващ клапан. Охлаждането на ГЕ се извършва от вентилатори, чиято скорост на въртене се определя от натоварването му.

Производство на купе на автомобила Феникс на TUS Team, Технически Университет – София

Автомобилът Phoenix има дизайн, разработен от студентите на TUS Team, с изключително нисък коефициент на обтекаемост, възлизащ на 0.16 и така гарантиращ минимални съпротивления от въздушната сила по време на движение. За да се определи този коефициент, е използван математически термофлуиден модел, приложен върху 3D прототип на Phoenix 2018 в софтуерна среда. За изработката на модела e използван софтуерът Siemens NX, а за изчисленията – Ansys Fluent. Математическите резултати след това са потвърдени експериментално в малък аеродинамичен тунел. Вътрешните и външните размери на купето са напълно съобразени с изискванията на състезанието Shell Eco-marathon, като някои от тях са: височина, ширина и дължина на купето, междуосово разстояние, междуколесно разстояние на всяка ос, пътен просвет, минимален обем на пилотската кабина, минимален обем на кабината, в която се помещава задвижването, минимално разстояние от главата на пилота до тавана на пилотската кабина и др.

При изработката на автомобила са използвани разнообразни материали: карбон (купе, седалка, врати, преградни стени, пилотско табло и др.), алуминий (носеща конструкция на купето от Phoenix 2018, носачи, предавки, щанги, планки, джанти и др.), каучук (автомобилни гуми, уплътнения, съставна част на лепила и др.), пластмаса (волан, стойки, огледала, копчета и др.) и други. По-сложните съставни компоненти на автомобила като горивната клетка, електродвигатели и контролерите за тях, преобразувателите на напрежение и кондензаторите са също изградени от различни по свойства и съотношение материали.

Използваната технология е за изработка на купето е ръчно ламиниране. Ръчното ламиниране е един от най-популярните начини за изработване на карбонови детайли. При него, в калъпа или върху негови повърхности, се разполагат едно по едно отделните парчета карбонов плат в различна подредба в зависимост от желаната коравина на крайния продукт. От много голямо значение за качеството на крайния продукт е именно прецизността на подреждане на платовете. Важно е също така между първия слой плат на детайла и калъпа предварително да се нанесе отделител, който спомага за по-лесното им по-нататъшно разделяне. Разбира се, калъпът трябва да бъде предварително почистен с ацетон или кореселин. При рязане на карбоновия плат необкантените му страни се облепят с тиксо, за да не раздиплят нишките. Между отделните платове пък се нанася смес от смола и втвърдител като съотношението зависи от типа смола, но базовото такова е на всеки 100 грама смола – 25 грама втвърдител, т.е. 4:1. Смесването се извършва чрез старателно няколкоминутно разбъркване и се препоръчва да е при стайни температури, тъй като при тях втвърдителят има най-висока ефективност. За нанасянето на отделителя и сместа обикновено се използват валячета и четки.

След като всички платове са разположени правилно, се нанася слой пилплай (peelply – белеща тъкан), който разпределя смолата по-равномерно върху карбоновите платове и прави последния слой на детайла по-грапав и здрав за постигане на по-висока повърхностна здравина и по-добър външен вид. Следва нанасянето на вата и найлон, които по своите краища се залепят плътно за калъпа със специален тип вакуум лента, щадяща калъпа. Прави се отвор в найлона, с който е облечена ватата и чрез вакуум клапа се монтира вакуум помпата. Ватата гарантира достигане на смолата навсякъде и се напоява с излишната такава. Следващите стъпки са вакуумиране на подготвения детайл при стайна температура в рамките на 24 часа и последващо изпичане в пещ заедно с калъпа при 80 ^oC в рамките на 16 часа. Готовият детайл се отделя от калъпа, почиства се, шлайфа се за отделяне на излишъците, и за получаване на финиш покритие и по-добър външен вид, се лакира и полира. Технологията може да се използва и с други подсилващи копоненти за композитни материали – фибростъкло или кевлар.

Изработката на монокупето е извършена в лабораториите на Факултет по транспорта на ТУ-София при спазване на всички норми за чистота и безопасност. Изработката на купето бе извършена както следва:

• Подготовка на калъпите  – почистване, определяне и облепване с гумена лента на повърхнините, които няма да се изработват или са изместени навътре в калъпа напр. стъклата, стоповете и вратите на автомобила.
• Нанасяне последователно на отделител, платове със смола, пилплай, вата, найлон и след това вакуумиране.
• Отделяне на детайла от калъпите, почистване и обработка до получаване на крайната форма.
• Изработване на общ калъп-модел от фибран и фибростъкло за предната и задната носещи преградни стени и пода.
• Изработка на носещи стени и под по готовия калъп чрез ръчно ламиниране , отделяне от калъпа на готовия детайл и допълнителна обработка.
• Изработка на отделни елементи като таблото в кабината на пилота, вратите, преден и заден капак, и седалката чрез сандвич технология и ръчно ламиниране и последващото залепяне и сглобяване на всички изделия.

Повече информация и научни изследвания за използваните технологии може да откриеш тук, тук и тук.