Hybridní automobily. Doc.Ing.Pavel Mindl,CSc. ČVUT FEL Praha

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Hybridní automobily. Doc.Ing.Pavel Mindl,CSc. ČVUT FEL Praha"

Dominik Říha
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 Hybridní automobily Doc.Ing.Pavel Mindl,CSc. ČVUT FEL Praha 1

2 Hybridní automobily Obsah Základní koncepce hybridních pohonů vozidel Klasická a alternativní paliva pro neelektrickou část hybridního pohonu Energetický obsah paliv a možnostmi jejich akumulace Současný stav v koncepci a akumulaci energie v hybridních pohonech 2

3 Hybridní automobily Vozidla s více než jedním zdrojem pohybové energie Účel hybridního uspořádání: Využití výhodných vlastností dílčích zdrojů pohybu v různých jízdních režimech vozidla Optimalizace provozních režimů dílčích pohonných agregátů Možnost rekuperace kinetické energie Nevýhody Větší nároky na prostor ve vozidle Větší výsledná hmotnost vozidla (vše v porovnání s vozidlem na klasický pohon spalovacím motorem) 3

4 Základní koncepce klasických a hybridních pohonů vozidel Klasická koncepce pohonu vozidla Použitelné koncepce obecného motoru Motor s vnějším spalováním (parní stroj, Stirlingův motor) Motor s vnitřním spalováním (Ottův, Diesel) Spalovací turbína Elektromotor 4

5 Současné a perspektivní typy motorů pro motorová vozidla Spalovací motory s vnitřním spalováním Zážehové 4- taktní Vznětové 4-taktní Elektrické motory používané pro trakční účely Asynchronní Synchronní s permanentními magnety ze vzácných zemin Reluktanční (ve vývoji) BLDC (brush-less DC motor elektronicky komutovaný) Všechny výšeuvedené typy elektromotorů vyžadují elektronický měnič DC/AC a vhodnou regulaci Stejnosměrný motor se sériovým buzením (trakční) v nových konstrukcích vozidel se již nepoužívá 5

6 Koncepce hybridních pohonů Základní charakteristika hybridního pohonu: více než jeden zdroj pohybové energie Paralelní hybridní pohon Omezení pro spalovací motor 1. Otáčky spalovacího motoru pevně svázány s rychlostí pohybu vozidla (dle zařazeného rychlostního stupně) 2. Nelze plně optimalizovat pracovní oblast spalovacího motoru Traction motor SM MP TM Combustion motor Gear Battery BAT Trakční motor TM umožňuje 1. Samostatnou jízdu na energii z akumulátoru 2. Přidat svůj výkon k výkonu spalovacího motoru 3. Přechodem do generátorického režimu rekuperovat kinetickou energii vozidla do akumulátoru Vyšší komplikovanost a hmotnost pohonu ve srovnání s klasickou koncepcí. Trakční motor může být dimenzován pouze na část celkového výkonu vozidla 6

7 Sériový hybridní pohon Do mechanické cesty přenosu energie vřazen elektrický přenosový člen se soustavou Generátor + Trakční Motor + Akumulátor energie Akumulátor energie elektrochemický akumulátor SM Combustion Motor - pro krátkodobé dodávky energie lze použít i setrvačníkový akumulátor či superkapacitor Výhody řešení Mechanické oddělení motoru a kol vozidla možnost optimalizace pracovního bodu spalovacího motoru Nevýhody Vysoká hmotnost TM a G dimenzovaných na plný výkon vozidla Generator Electric connection only Traction Motor G TM Battery BAT 7

8 Hybridní pohon s elektromechanickým děličem výkonu Bat tery Battery Control unit ~ ~ Regler ~ ~ Co mbustion motor Generator Planetar y Gear Tracti on motor Combustion motor. Generator. traction motor Hybridní pohon s dělením výkonu Planetovou převodovkou a generátorem (koncepce Toyota) Hybridní pohon s dělením výkonu dvourotorovým generátorem (koncepce Sousedík) 8

9 Mechanický dělič výkonu - diferenciál Mechanický dělič výkonu vychází z principu diferenciálu. Zajišťuje dělení výkonu motoru mezi 2 nezávislá kola vozu, kde každé z poháněných kol může mít jiné otáčky. Je to důležité při projíždění zatáček, kdy každé z kol jede po jiné trajektorii. V případě hybridního pohonu lze na základě tohoto principu dělit výkon spalovacího motoru mezi kola a generátor elektrického proudu. 9

10 Planetová převodovka pro dělení výkonu 10

11 Schéma hybridního pohonu s planetovou převodovkou 11

12 Schéma pohonu Toyota Prius Principiální uspořádání hybridního pohonu vozidla Toyota Prius 12

13 Hybridní pohon s elektrickým děličem výkonu Battery Regler Combustion motor. Generator. ~ ~ traction motor 13

14 Elektrický dělič výkonu ČVUT FEL Electromagnetic clutch Frame Brushes Rotating"stator" "Stator" coil Permanent magnet rotor "Stator" coil "Stator" slip rings 14

15 Fyzikální model hybridního pohonu s elektrickým děličem výkonu 15

16 Nosiče energie pro klasické a hybridní pohony motorových vozidel A) Paliva pro klasické spalovací motory Benzín Nafta LPG (Liquified Petroleum Gas) CNG (Compressed Natural Gas) B) Nové druhy biopaliv pro spalovací motory ve stadiu zkoušek Etanol: 3% 15% příměs do benzínu snižuje úroveň emisí v porovnání se samotným benzínem Metanol: Z hlediska výkonu a energetického obsahu blízký benzínu, korozivní účinky, toxický, nižší emise v porovnání s benzínem Bionafta: směs klasické nafty a metylesteru řepkového oleje (MERO) Vodík: plyn buď pro přímé spalování v zážehových motorech nebo pro přeměnu na elektrickou energii v palivových článcích 16

17 Energetický obsah vybraných paliv Palivo Hmotnostní hustota energie (MJ/kg) Hmotnostní hustota energie (kwh/kg) Objemová hustota energie (MJ/dm 3 ) Objemová hustota energie (kwh/dm 3 ) Benzín 48,07 13,35 31,15 8,65 LPG 46,1 12,78 24,9 6,92 Nafta 42,5 11,8 35,2 9,78 Propan (kapalný) 50,43 14,0 23,08 6,41 Butan (kapalný) 51,75 14,37 29,9 8,3 Vodík (plyn p= 300 barů) ,33 0,65 Vodík (kapal C) ,46 2,35 Uhlí ořech hnědý 20 5,55 16,7 4,64 17

18 Účinnost přeměny energie paliv na pohybovou energii vozidla 18

19 Současný stav v koncepci a akumulaci energie v hybridních pohonech Komerční oblast: Obchodní úspěch hybridních vozidel začal u vozidel s dělením výkonu planetovou převodovkou a generátorem (koncepce Toyota Prius). Dosaženo cca 20% úspor paliva, komfort vozidla srovnatelný s klasickým automobilem, snížení objemu zavazadlového prostoru vlivem uložení Ni MH akumulátoru 220V/ 7 Ah. Vozidlo nepotřebovalo žádné dobíjení, veškerá elektrická energie pro elektrický pohon je získávána ze spalovacího motoru (autarkický hybrid). Současné koncepce vycházejí z navýšení kapacity akumulátorů Li-Fe- Pol s kapacitou cca 20 Ah a el. dojezdem km. Před jízdou se dobíjí. Proto plug-in hybrid. Výhledové koncepce: Orientace na hybridní pohony s palivovými články na vodík a vzduch (nízkoteplotní PEMFC) a vysokoteplotní palivové články (HTFC) s palubní reformací uhlovodíkových paliv (přímá konverze kapalných paliv např. metyl alkoholu na vodík, doplněné chemickým akumulátorem. Vznikne elektrický hybrid. Mezikoncepce elektromobil s range-extenderem. 19

20 Současné modely HV na českém trhu Prius+, hybridní kombík (autarkický, Kč). Prius plug-in hybrid. ( Kč). Toyota Yaris Hybrid, Auris Hybrid Auris Touring Sports Hybrid. Honda Insight, Peugeot 3008 Hybrid4 ( Kč) Peugeot 508 RXH ( Kč) plug-in hybrid Opel Ampera. 20

21 Hybridní automobily Použitá literatura /1/ Cenek,M a kol.: Akumulátory od principu k praxi FCC Public, 2003 /2/ Kameš, J: Alternativní pohony automobilů BEN-Technická literatura, Praha 2004 /3/ Vlk,F.: Alternativní pohony motorových vozidel Nakladatelství a vydavatelství F.Vlk, Brno 2004 /4/ Scientist American speciální číslo leden-únor 2007 Energie budoucnosti /5/ Olah,J.: Aplikační možnosti superkondenzátorové baterie na trakčním vozidle Semestrální práce ČVUT FEL

22 22

23 23

24 Fyzikální model hybridního pohonu s elektrickým děličem výkonu 24

25 Současné modely HV na českém trhu Prius+, hybridní kombík (autarkický, Kč). Prius plug-in hybrid. ( Kč). Toyota Yaris Hybrid, Auris Hybrid Auris Touring Sports Hybrid. Honda Insight, Peugeot 3008 Hybrid4 ( Kč) Peugeot 508 RXH ( Kč) plug-in hybrid Opel Ampera. 25

Podobné dokumenty

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ - ENERGETICKÝ ÚSTAV ODBOR TERMOMECHANIKY A TECHNIKY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ - ENERGETICKÝ ÚSTAV ODBOR TERMOMECHANIKY A TECHNIKY PROSTŘEDÍ doc. Ing. Josef ŠTETINA, Ph.D. Předmět 3. ročníku BS http://ottp.fme.vutbr.cz/sat/