Hybridní automobily
Doc.Ing.Pavel Mindl,CSc. ČVUT FEL Praha
1
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
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
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
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
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
SM
MP
Combustion motor
Gear Battery
Traction motor
TM
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
BAT
Sériový hybridní pohon Do mechanické cesty přenosu energie vřazen elektrický přenosový člen se soustavou Generátor + Trakční Motor + Akumulátor energie SM
Combustion Motor
Akumulátor energie – elektrochemický akumulátor Generator
- pro krátkodobé dodávky energie lze použít i setrvačníkový akumulátor či superkapacitor
G
Electric connection only
Traction TM Motor
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 7
Battery BAT
Hybridní pohon s elektromechanickým děličem výkonu Bat tery
Battery
Control un it
Regler
~
~
~ Co mbust ion motor
Generator
~ Tracti on motor
. Combustion motor
traction motor
Generator .
Planetar y Gear
Hybridní pohon s dělením výkonu Planetovou převodovkou a generátorem (koncepce Toyota)
Hybridní pohon s dělením výkonu dvourotorovým generátorem (koncepce Sousedík)
8
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
Planetová převodovka pro dělení výkonu
http://auto.howstuffworks.com/hybrid-car7.htm
10
Schéma hybridního pohonu s planetovou převodovkou
11
Schéma pohonu Toyota Prius
Principiální uspořádání hybridního pohonu vozidla Toyota Prius
http://www.ae.pwr.wroc.pl/filez/20110606092430_HEV_Toyota.pdf
12
Hybridní pohon s elektrickým děličem výkonu
B attery
Regler
~
~ . Combustion motor
Generator
traction motor
.
13
Elektrický dělič výkonu ČVUT FEL
Electromagnetic clutch Frame
Brushes
Rotating"stator" "Stator" coil
Permanent magnet rotor
"Stator" coil
"Stator" slip rings
14
Fyzikální model hybridního pohonu s elektrickým děličem výkonu
15
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
Energetický obsah vybraných paliv Palivo
Hmotnostní hustota energie (MJ/kg)
Hmotnostní hustota energie (kWh/kg)
Objemová hustota energie (MJ/dm3)
Objemová hustota energie (kWh/dm3)
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)
119
33
2,33
0,65
Vodík (kapal. -253°C)
119
33
8,46
2,35
Uhlí – ořech hnědý
20
5,55
16,7
4,64
17
Účinnost přeměny energie paliv na pohybovou energii vozidla
18
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 20 -30 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
Současné modely HV na českém trhu Prius+, hybridní kombík (autarkický, 679 900 Kč). Prius plug-in hybrid. (909 900 Kč). Toyota Yaris Hybrid, Auris Hybrid Auris Touring Sports Hybrid. Honda Insight, Peugeot 3008 Hybrid4 (725 000 Kč) Peugeot 508 RXH (884 500 Kč) plug-in hybrid Opel Ampera.
20
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 2006
21
22
23
Fyzikální model hybridního pohonu s elektrickým děličem výkonu
24
Současné modely HV na českém trhu Prius+, hybridní kombík (autarkický, 679 900 Kč). Prius plug-in hybrid. (909 900 Kč). Toyota Yaris Hybrid, Auris Hybrid Auris Touring Sports Hybrid. Honda Insight, Peugeot 3008 Hybrid4 (725 000 Kč) Peugeot 508 RXH (884 500 Kč) plug-in hybrid Opel Ampera.
25
