Zdroje elektrické energie 3. přednáška

Transkript

1 Zdroje elektrické energie 3. přednáška Jan Koprnický TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/ řízení a měření, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.

2 Obsah předchozí prednášky Elektrický rozvod ve vozidle Druhy elektrického proudu Napětí elektrické soustavy Obvody elektrické soustavy vozidel Kabelový rozvod Jištění Koncepce rozvodu elektrické energie Schémata elektrického rozvodu Zdroje elektrické energie řízení a měření 2 / 54

3 Zdroje elektrické energie řízení a měření 3 / 54 Obsah dnešní prednášky 1 Primární (základní) zdroje energie Rotační zdroje energie Dynamo Magneto Alternátor Nerotační primární zdroje energie Fotovoltaické články Palivové články 2 Sekundární zdroje energie Akumulátor Hybridní baterie Ultrakapacitor

4 Zdroje energie pro pohon vozidel Zdroje elektrické energie Úvod řízení a měření 4 / 54 neobnovitelné zdroje obnovitelné zdroje ropa zemní plyn uhlí jaderné látky sluneční záření větrná síla vodní síla biomasa elektřina elektrolýza vody benzín nafta LPG zemní plyn metanol elektrický proud baterie vodík palivo z biomasy

5 Zdroje elektrické energie ve voze Zdroje elektrické energie Úvod řízení a měření 5 / 54 Závislé na spalovacím motoru Točivé zdroje Změna mechanické energie na elektrickou Nezávislé na spalovacím motoru Akumulátory, palivové články,... Změna chemické/sluneční energie na elektrickou

6 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 6 / 54 Rotační generátor Točivý elektrický stroj Změna mechanické energie na elektrickou Účinnost 50 % Rozdělení Stejnosměrný Dynamo Střídavý Magneto Alternátor

7 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 7 / 54 Dynamo Stejnosměrný rotační stroj Dělení podle zapojení budicího vinutí Cizí buzení Cizí zdroj Permanentní magnet Vlastní buzení Sériové zapojení Paralelní zapojení (derivační) V automobilech do začátku 70. let Výkonová omezení náhrada alternátorem

8 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 8 / 54 Derivační dynamo Výhody Nevýhody + Schopnost samonabuzení + Jednoduchá změna napětí U = f (I b ) při n = konst. + Tvrdá zatěžovací charakteristika + Necitlivost na přepětí + Odolnost vůči změně polarity Komutátor max. otáčky, proud, opotřebení Zhoršená komutace bez kompenzačního vinutí Malá teplotní odolnost do 180 C

9 Elektrické schéma zapojení dynama Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 9 / 54 Zapojení buzení na plus Regulace na kostru Jednodušší regulátor napětí D M Zapojení dynama na kostru Regulace na plus Bezpečnější při zkratu bud. vinutí na kostru odbuzení D M

10 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 10 / 54 Konstrukce dynama 1 tělo statoru; 2 rotor (kotva); 3 svorky; 4 komutátor; 5 zadní ložiskový štít; 6 přední ložiskový štít; 7 pólový nástavec; 8 statorové vinutí; 9 kartáč

11 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 11 / 54 Charakteristiky dynama Zatěžovací a budicí charakteristika

12 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 12 / 54 Magneto Generátor střídavého napětí Části Kotva cívka Stator permanentní magnet = buzení Kroužky na kotvě sběr energie Použití u vozidel bez baterií Nevýhoda slabý magnetický tok z PM Upravená magneta slouží jako generátory vysokého napětí zapalovací systémy

13 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 13 / 54 Obrázky magnet

14 Princip zapalovacího magneta Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 14 / 54

15 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 15 / 54 Alternátor Vyrábí střídavé napětí = synchronní stroj (potřeba usměrňovače) Od 60. let s rozvojem výkonové polovodičové techniky Výhody alternátoru Možnost práce i při volnoběhu Není komutátor Odpadá údržba kartáčů Není rušení od jiskření na komutátoru Jednoduchá regulace polovodiči Provozní spolehlivost (proud ze statoru) Smysl polarity se nemění se změnou otáčení

16 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 16 / 54 Konstrukce alternátoru Synchronní generátor s odlišnou konstrukcí Drápkový rotor Stator složen z plechů se statorovým vinutím Dělení alternátorů podle typu buzení a) Permanentní magnety b) Budicí vinutí (elektromagneticky) převažují u mot. vozidel Dělení alternátorů podle konstrukce stat. vinutí a) Jednofázové malé výkony, jednostopá vozidla b) Třífázové do hvězdy (Y) nebo trojúhelníka (D) S přímým buzením 6diodové S nepřímým buzením 9diodové Součástí alternátorů je usměrňovač Regulace na napětí o 0,2 až 0,4 V nižší než plynování akumulátoru (14,4 V)

17 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 17 / 54 Řez alternátoru s elektromagnetickým buzením 1 štít s ložiskem; 2 usměrňovač; 3 výkonová dioda; 4 budicí dioda; 5 kryt s přírubou; 6 řemenice ventilátoru; 7 ventilátor; 8 stator; 9 drápkový rotor; 10 tranzistorový regulátor

18 Zatěžovací charakteristika alternátoru Porovnání s charakteristikou dynama Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 18 / 54 1 zatěžovací charakteristika alternátoru; 2 zatěžovací charakteristika dynama

19 Elektrické zapojení alternátoru 6diodové Přímé napájení buzení z akumulátoru Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 19 / 54 Pozn.: Obvod 54 obvod denních spotřebičů

20 Elektrické zapojení alternátoru 9diodové I Buzení z 3 pomocných usměrňovacích diod Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 20 / 54 Mezi B+ a B je U ss = 12 V. Jaké je vstupní napětí u? Definice U ef = 1 T T 0 u2 (t) dt

21 Elektrické zapojení alternátoru 9diodové II Buzení z 3 pomocných usměrňovacích diod Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 21 / 54 1 diody zmenšující proudové zatížení; 2 výkonové diody; 3 elektrický systém vozu; 4 regulátor

22 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 22 / 54 Usměrňovače Přehled běžných typů a) 1f jednopulzní U d = 2 π U f b) 1f dvoupulzní uzlový U d = 2 2 U π f c) 1f dvoupulzní můstkový U d = 2 2 U π f d) 3f šestipulzní můstkový U d = U π f e) 3f trojpulzní uzlový U d = U 2π f

23 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 23 / 54 Kontrola nabíjení Použití kontrolního světla (kontrola na tmu) viz obr. alternátoru 9diodového, mezi svorkami 15 a D+ Ampérmetrem Voltmetrem

24 Nerotační primární zdroje energie Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 24 / 54 1 Primární (základní) zdroje energie Rotační zdroje energie Dynamo Magneto Alternátor Nerotační primární zdroje energie Fotovoltaické články Palivové články

25 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 25 / 54 Energie ze slunce Možnosti využití sluneční energie přímé využívání nepřímé využívání energie záření mechanická energie uložená energie solární architektura solární kolektory fotovoltaika větrné generátory vodní turbíny využití biomasy využití bionafty využití bioplynu

26 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 26 / 54 Fotovoltaické články Velkoplošné polovodičové diody Křemíkové články Účinnost 20 % (dosažené maximum 42,8 % dne ) Výkon udáván špičkový W p V systému společně s akumulátorem energie Intenzita slunečního záření cca 1,376 kw/m 2 solární článek regulátor reg. střídač spotřebiče akumulátor

27 Příklady vozidel s fotovoltaickými články Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 27 / 54 Elektrovozy euto z VUT Brno 1, New Trabant nt 2, Astrolab 3 ; Hybridní Toyota Prius

28 Fotovoltaické články shrnutí Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 28 / 54 Výhody + Využití obnovitelných zdrojů + Přímá výroba elektrické energie + Nepřítomnost pohyblivých částí (spolehlivost, tichý chod) + Nevytváří žádné znečištění, hluk, zplodiny a zápach + Neuvolňuje při výrobě elektřiny CO 2 Nevýhody Malá účinnost max. 24,7 % Závislé na intenzitě slunečního světla (vliv nečistot atd.) 1 5 let činnosti = energetická návratnost Životnost let

29 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 29 / 54 Palivové články Měniče chemické energie na elektrickou Galvanický článek Přísun paliva (aktivní látky) na anodu a okysličovadla (reduktoru) na katodu, mezi nimiž je elektrolyt, zahájí elektrochemický proces Aktivní látka Plyny H 2, CO, N 2 H 4 Kapaliny CH 3 OH, alkoholy Tuhé látky Na, Mg, Zn, Cd Reduktor O 2, Cl 2, HgO, MnO 2

30 Konstrukce palivového článku 5 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 30 /

31 Dělení palivových článků podle elektrolytu Alkalické články (AFC Alkaline Fuel Cells) Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 31 / 54 Články s tuhými polymery (PEFC Proton Exchange Fuel Cells) Články s kyselinou fosforečnou (PAFC Phosphor Acid Fuel Cells) Články s roztavenými uhličitany (MCFC Molten Carbonate Fuel Cells) Články s tuhými oxidy (SOFC Solid Oxide Fuel Cells)

32 Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie řízení a měření 32 / 54 Palivové články shrnutí Výhody Nevýhody + Nízké opotřebení + Vysoká životnost + Nepřítomnost pohyblivých částí (tichý chod) + Možnost značných přetížení (až 100 %) Nutnost kontinuálně odstraňovat zplodiny chemických reakcí Udržovaní optimální teploty a tlaku aktivních médií Problém s uvedením do provozu

33 Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 33 / 54 Akumulátor Otázka Sekundární chemický zdroj elelektrické energie Zdroje s kyselým elektrolytem (Pb) Zdroje se zásaditým elektrolytem (alkalické) (NiCd, NiMH, Li-Ion, AgZn, LiFePO4,... ) Typy akumulátorů Startovací akumulátory Solární akumulátory Stacionární akumulátory Gelové akumulátory Může být baterie primární zdroj elektrické energie?

34 Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 34 / 54 Startovací akumulátor Zabezpečuje nastartování motoru Krytí spotřeby el. energie v klidovém stavu motoru Nejstarší součást elektrovýzbroje Nejrozšířenější olověné akumulátory s kyselým elektrolytem (historie od r. 1859) Pracovní podmínky Velké vybíjecí proudy Otřesy Velké rozsahy teplot Časté střídání nabíjení/vybíjení a klidu Minimální údržba

35 Konstrukce startovacího akumulátoru Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 35 / 54 Pozitivní sada Nádoba s upevňovacími lištami Negativní elektroda Negativní sada Článek Držadlo Ochranný kryt Pozitivní mřížka Negativní mřížka Pozitivní elektroda v obálkovém separátoru Pozitivní elektroda Integrované protipožární pojistky Záporný pól

36 Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 36 / 54 Kostrukční části olověného startovacího akumulátoru I Aktivní hmota Kladná elektroda oxid olovičitý PbO 2 Záporná elektroda houbovité olovo Pb Elektrolyt kyselina sírová H 2 SO 4 ředěná destilovanou vodou Elektrody Mřížky odlité z legovaného olova V pórech je aktivní hmota Desky Různé velikosti (podle výkonu) Spojené do skupin Spojení s můstkem s pólovým vývodem Kladné a záporné desky zasunuty do sebe Záporné jsou vnější (o jednu více než kladných)

37 Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 37 / 54 Kostrukční části olověného startovacího akumulátoru II Separátory Oddělení desek Nesmějí bránit průchodu iontů Nádoba, žebra, zátky,...

38 Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 38 / 54 Charakteristické hodnoty startovacích akumulátorů I Nabíjecí charakteristika Vybíjecí charakteristika závisí na vybíjecím proudu Jmenovité napětí 6 V, 12 V, 24 V (dáno počtem článků) Kapacita akumulátoru je elektrický náboj v ampérhodinách, který může akumulátor za určitých podmínek vydat. Jmenovitá kapacita srovnávací údaj hodnocení akumulátorů za stejných podmínek; desetihodinová C 10 nebo dvacetihodinová kapacita C 20. Dvacetihodinová kapacita vybíjení při teplotě 25 C proudem 0,05 C 20 [A] do snížení napětí na 1,75 V na článek. Vybíjecí proud se uvádí při 18 C po dobu 10 s, napětí neklesne pod 7,5 V (pro 12V akumulátor).

39 Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 39 / 54 Charakteristické hodnoty startovacích akumulátorů II Vnitřní odpor je odpor činné hmoty + přechodové odpory mezi vrstvami. R v = u 1 u 2 i 2 i 1 = U 0 u 1 i 1, kde u 1 a u 2 jsou napětí pro dva různé proudy i 1, i 2 ; U 0 jmenovité napětí při i 0 = 0 A

40 Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 40 / 54 Charakteristiky závislosti kapacity akumulátoru Závislost kapacity akumulátoru na vybíjecím proudu Závislost kapacity akumulátoru na okolní teplotě Pozn.: Souvislost s hustotou elektrolytu.

41 Závislost vnitřního odporu akumulátoru Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 41 / 54 Závislost vnitřního odporu na teplotě Závislost vnitřního odporu na stavu nabití

42 Zatěžovací charakteristika akumulátoru Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 42 / 54

43 Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 43 / 54 Konec akumulátoru Pokles kapacity na 70 % kapacity nového akumulátoru Zvýšení vnitřního odporu na 2R v

44 Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 44 / 54 Nedostatky akumulátorů Nízká dynamika výstupního výkonu Teplotní závislost Dlouhé nabíjecí časy Samovybíjení Slabý článek v elektrických zařízeních

45 Energetická hustota (Wh / kg) Porovnání sekundárních zdrojů Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 45 / Li-ion Li-pol NiMH NiCd PbA HB UCAP Specifický výkon (W/ kg) Li-Ion Lithiumiontová; Li-pol Lithiumpolymerová; NiMH Niklmetalhydridová; NiCd Niklkadmiová; PbA Olověné akumulátory; HB Hybridní baterie; UCAP Ultrakapacitory

46 Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 46 / 54 Hybridní baterie Využití Akumulátoru Měniče Ultrakapacitoru Vývojový mezistupeň + _ Tok energie DC DC + + _ Akumulátor Měnič UCAP

47 Vlastnosti hybridní baterie Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 47 / 54 Výhody proti PbA Podstatně vyšší dynamika výstupního výkonu Částečně potlačená teplotní závislost Konstantní velikost svorkového napětí HB v průběhu celého životního cyklu Delší životnost Nevýhody proti PbA Značná složitost zapojení Vyšší cena

48 Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 48 / 54 Ultrakapacitor Též superkapacitor, dvojvrstvý elektrolytický kondenzátor Uskladnění elektrické energie v čisté formě, tzv. elektrostatická akumulace energie Konstrukční podoba s elektrolytickým kondenzátorem Tenká vrstva aktivního uhlíku na elektrodách (zvýšení povrchu) Kapacity 10 2 až 10 3 F Nízká energetická hustota na jednotku objemu zatím nemohou zcela nahradit akumulátory (Ultrakapacitorové autobusy v Šanghaji)

49 Konstrukce ultrakapacitoru Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 49 / 54

50 Konstrukce ultrakapacitoru Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 50 / 54

51 Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie řízení a měření 51 / 54 Porovnání parametrů UCAP s dalšími sekundárními zdroji Parametry \ Typ Akumulátor UCAP Elektrolyt Nabíjecí čas 1 5 hod 0,3 30 s s Vybíjecí čas 0,3 3 hod 0,3 30 s s Energetická hustota < 0,1 (Wh/kg) Počet nab. cyklů Specifický výkon < > (W/kg) Účinnost 0,7 0,85 0,85 0,98 > 0,95

52 Zdroje elektrické energie Konec řízení a měření 52 / 54 Děkuji za pozornost.

53 Zdroje elektrické energie Literatura řízení a měření 53 / 54 Literatura I Bauer, H.; Dietsche, K.-H.; Crepin, J.; aj. (editoři): Bosch Electronic Automotive Handbook. Stuttgart: Robert Bosch GmbH, první vydání, Henze, A.; Hillebrand, W.: Elektrický proud ze slunce. Ostrava Plesná: HEL, první vydání, 2000, ISBN Jan, Z.; Kubát, J.; Žďánský, B.: Elektrotechnika motorových vozidel 1. Brno: Avid, 2006, ISBN , 232 s. Jan, Z.; Kubát, J.; Žďánský, B.: Elektrotechnika motorových vozidel 2. Brno: Avid, 2006, ISBN , 232 s. Vlk, F.: Alternativní pohony motorových vozidel. Brno: Prof. Ing. František Vlk, DrSc., 2004, ISBN

54 Zdroje elektrické energie Literatura řízení a měření 54 / 54 Literatura II Štěrba, P.: Elektrotechnika motorových vozidel. Brno: Computer press, první vydání, 2008, ISBN Šťastný, J.; Remek, B.: Autoelektrika a autoelektronika. Praha: T. Malina-nakladatelství, 2003, ISBN