Hybridní pohony vozidel Bakalářská práce

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Hybridní pohony vozidel Bakalářská práce

Vedoucí práce: doc. Ing. Pavel Sedlák CSc.

Vypracovala: Kateřina Kolegarová

Brno 2013

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma HYBRIDNÍ POHONY VOZIDEL vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne ………………………………………. podpis ……………………….

PODĚKOVÁNÍ Na tomto místě bych ráda poděkovala panu doc. Ing. Pavlu Sedlákovi, CSc., za jeho ochotný přístup, důležité rady a pomoc při tvorbě této práce.

ABSTRAKT

Bakalářská práce je zaměřena na moderní pohony motorových vozidel tzv. alternativní pohony motorových vozidel. Práce je rozdělena do tří částí, kdy první část popisuje vozidla s elektrickým pohonem, akumulátory a elektromotory. Druhá část se zabývá vodíkovým pohonem motorových vozidel a popisem jednotlivých druhů palivových článků. Poslední třetí část je věnována hybridním pohonům, jejich koncepcím a příkladům těchto pohonů. Tyto moderní koncepce u motorových vozidel se na trhu stále častěji jeví s přijatelnějším ekologickým i ekonomickým řešením.

Klíčová slova: akumulátor, elektromotor, palivový článek, vodík, hybridní pohon

ABSTRAKT

The bachelor thesis is focused on the modern drives motors vehicles so-called alternatives drives motor vehicles. The thesis is divided into three parts, when first part describes vehicles with electric drive, batteries and electrics motors. Secondary part deals hydrogen drive vehicle and description of each species fuels cells. The last part is given hybrids drives, their conceptions and examples these drives. These modern conceptions of motor vehicle are increasingly seen as a more acceptable ecological and economical solution.

Key words: battery, electric motor, fuel cell, hydrogen, hybrid drive

OBSAH 1 ÚVOD ............................................................................................................................ 8 2 CÍL PRÁCE ................................................................................................................... 9 3 MOTOROVÁ VOZIDLA S ELEKTRICKÝM POHONEM ...................................... 10 3.1 Akumulátory ......................................................................................................... 11 3.1.1 Akumulátor olověný ....................................................................................... 12 3.1.2 Akumulátor nikl - kadmium ........................................................................... 13 3.1.3 Akumulátor nikl - metalhydrid ....................................................................... 13 3.1.4 Akumulátor lithium - iontový ......................................................................... 13 3.1.5 Akumulátor lithium – železo - fosfát.............................................................. 14 3.1.6 Akumulátor vysokoteplotní ............................................................................ 14 3.2 Elektromotory ....................................................................................................... 15 3.2.1 Stejnosměrný elektromotor s cizím buzením ................................................. 15 3.2.2 Asynchronní elektromotor .............................................................................. 16 3.2.3 Transversální elektromotor ............................................................................. 17 3.2.4 Řízený reluktanční elektromotor .................................................................... 17 3.3 Smart Electric Drive ............................................................................................. 18 4 MOTOROVÁ VOZIDLA S VODÍKOVÝM POHONEM ......................................... 19 4.1 Vodík jako plynné palivo ...................................................................................... 19 4.2 Výroba vodíku ....................................................................................................... 19 4.3 Palivový článek ..................................................................................................... 21 4.3.1 PEMFC - palivový článek s polymerní elektrolytickou membránou ............ 21 4.3.2 AFC – palivový článek s alkalickým elektrolytem ........................................ 22 4.3.3 PAFC – palivový článek s kyselinou fosforečnou ......................................... 23 4.3.4 MCFC - palivový článek s uhličitanovou taveninou ...................................... 23 4.3.5 SOFC - palivový článek s pevným elektrolytem ............................................ 23 4.4 Palivové články v pohonech motorových vozidel ................................................ 24

4.4.1 První auto na vodík - Hundai ix35 ................................................................. 24 4.4.2 Traktor na vodík- New Holland ..................................................................... 25 5 HYBRIDNÍ POHON ................................................................................................... 26 5.1 Uspořádání hybridních pohonů ............................................................................. 27 5.1.1 Sériové hybridní uspořádání ........................................................................... 27 5.1.2 Paralelní hybridní uspořádání ......................................................................... 28 5.1.3 Kombinované hybridní uspořádání ................................................................ 29 5.2 Typy hybridních pohonů ....................................................................................... 29 5.2.1 Power assist hybrid ......................................................................................... 30 5.2.2 Mild hybrid ..................................................................................................... 30 5.2.3 Plug – in hybrid .............................................................................................. 30 5.3 Zdroje elektrické energie ....................................................................................... 31 5.3.1 Akumulátory ................................................................................................... 31 5.3.2 Vysokoenergetické kondenzátory - superkondenzátory ................................. 32 5.3.4 Mechanické akumulátory energie................................................................... 33 5.4 Elektromotory........................................................................................................ 33 5.5 Systém Hybrid Synergi Drive – Toyota Prius ....................................................... 34 5.6 Systém IMA-Honda Insight .................................................................................. 37 5.7 Systém Voltec – GM Opel – Opel Ampera .......................................................... 39 5.8 Hybridní autobus Volvo 7900 ............................................................................... 41 6 ZÁVĚR ........................................................................................................................ 43 7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ......................................................................... 45 8 SEZNAM OBRÁZKŮ ................................................................................................. 48 9 SEZNAM TABULEK ................................................................................................. 49

(zadání)

1 ÚVOD Automobil a tedy i spalovací motor můžeme řadit k největším vynálezům lidstva. Avšak s rostoucí hustotou automobilové dopravy, rychle rostou negativní faktory spojené s jejím provozem. Mezi negativní faktory automobilové dopravy patří škodlivé emise, které vedou ke globálnímu oteplování. Dalším je spotřeba fosilních paliv, kde jsou problémem snižující se zásoby ropy. U konvenčních pohonů motorových vozidel jsou emise snižovány například použitím katalyzátorů, recirkulací výfukových plynů nebo úpravou směšovacího poměru. Však k daleko většímu, dokonce až k téměř úplnému snížení škodlivých emisí, tak i snížení spotřeby fosilních paliv lze docílit u alternativních pohonů motorových vozidel. Mezi alternativní pohony vozidel lze zahrnout všechny pohony vozidel lišící se od konvenčního způsobu pohonu. Z historického hlediska lze mezi první alternativní pohony zahrnout elektromobily. Vzhledem k jednoduché konstrukci elektromobilů, jejich lehké obsluze a nenáročného startování byly elektromobily na konci 19. století oblíbenější než vozidla s klasickým spalovacím motorem. Roku 1900 se v USA dokonce vyrobilo o třetinu více vozidel s elektrickým pohonem než vozidel se spalovacím motorem. Dalším směrem v alternativních pohonech jsou speciální spalovací motory. Mezi tyto motory je možné zahrnout spalovací turbínu, Stirlingův motor a Wankelův motor. V 90. letech minulého století se také objevuje snaha o renesanci parního motoru. Samostatnou kapitolu tvoří alternativní paliva v dnešní době představována převážně jako biopaliva. Tato paliva jsou známá už od počátku uvedení spalovacích motorů. První spalovací motory využívaly, jako zdroje energie, převážně plynná paliva. První využití biopaliv je spojeno s bioethanolem, který se ve 30. letech minulého století vyráběl téměř v každé větší vesnici. Vstupní zdroj biomasy tvořily přebytky z agrárního sektoru. [3]

8

2 CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce je uvést moderní konstrukce v pohonech motorových vozidel. Popis koncepčního uspořádání těchto pohonů a jejich vybraných částí. Jako moderní konstrukce vozidel můžeme považovat vozidla s elektrickým pohonem, vodíkovým pohonem a hybridním pohonem. Závěrečné zhodnocení těchto pohonů s návrhem perspektivního řešení.

9

3 MOTOROVÁ VOZIDLA S ELEKTRICKÝM POHONEM Motorová vozidla s elektrickým pohonem, prakticky neprodukují žádné škodlivé emise, vyznačují se nízkou hladinou hluku. Mají však malý jízdní výkon a omezený dojezd. Vozidlo

je

poháněno

elektromotorem,

připojeným

k akumulátorům.

Akumulátory je třeba po ujetí 150 km dobíjet. Doba dobíjení akumulátorů se pohybuje mezi třemi až patnácti hodinami. Hnací ústrojí elektromobilu je tvořeno podobně jako u vozidel se spalovacím motorem, tedy z motoru, převodovky, hnacích hřídelů a diferenciálů s rozvodovkou (obr. 1). Nejčastěji se využívá zadního nebo předního pohonu s centrálním elektromotorem. Alternativami jsou tandemové hnací systémy se dvěma elektromotory a pohony kol elektromotory umístěnými přímo v kolech. [2]

Obr. 1: Uspořádání hnacího ústrojí pro elektromobily: a) přední nebo zadní pohon; b) tandemový pohon; c) pohon v nábojích kol; B – baterie E – elektromotor a usměrňovač příp. převodovka; D – diferenciál.[2]

10

3.1 Akumulátory U elektrických pohonů se používají akumulátory nazývané trakční. Trakční akumulátory také slouží jako zásobníky elektrické energie, ale na rozdíl od klasických akumulátorů jsou uzpůsobeny k dlouhodobému odběru elektrické energie až do úplného vybití, a po té k rychlému nabití. Kdežto klasické akumulátory tzv. startovací akumulátory slouží ke krátkodobému odběru vysokého proudu nebo ke krátkodobému napájení některých spotřebičů automobilů, a jsou po startu automobilu hned dobíjeny alternátorem.

Požadavky kladené na trakční akumulátory: •

možnost rychlého nabíjení akumulátoru, bezúdržbovost, životnost 5 až 10 let

•

umožňovat jízdní výkon více než 50 000 km

•

dosahovat energetické hustoty alespoň 200 Wh/kg, hustoty výkonu 100 W/kg

Tab. 1: Specifické údaje akumulátorů Měrná energie

Počet dobíjecích

Dobíjecí

[Wh/kg]

cyklů

účinnost [%]

Pb (olověný)

30 - 40

500 - 800

70 - 92

NiCd (nikl-kadmium)

40-60

2000

66 - 90

NiMh (nikl-metal)

55 - 80

1000

66

Li-Ion (lithiové)

120 - 160

1000

80 - 90

LiFePo4 (lithium-železo-fosfát)

80 - 120

2000 - 3000

95

Zebra (aku. s tavnou solí)

100 - 120

1000

-

Typy akumulátorů

11

3.1.1 Akumulátor olověný V nabitém stavu je aktivní hmota záporné elektrody tvořena houbovitým olovem (Pb), kladná elektroda je tvořena oxidem olovičitým (PbO2). Elektrolytem olověných akumulátorů je kyselina sírová (H2 SO4) ředěná destilovanou vodou. Elektrolyt může být z technických důvodů nasáknutý do vaty ze skelných vláken nebo ve formě gelu. Vybíjením se aktivní hmota záporné i kladné elektrody přeměňuje na síran olovnatý (PbSO4) a elektrolyt je ochuzován o kyselinu sírovou a obohacován o vodu. Při výbíjení tedy klesá koncentrace elektrolytu a naopak při nabíjení jeho koncentrace roste. [10]

Obr. 2: Olověný akumulátor Optima 850 [24]

Nevýhodou olověných akumulátorů je malá hustota energie na kilogram (30 - 40 Wh/kg), nižší účinnost dobíjení (70 - 92 %), menší počet dobíjecích cyklů (500 - 800). Ponecháním akumulátoru delší dobu ve vybitém stavu dochází k sulfataci, ta výrazně sníží jeho kapacitu. Mezi výhody můžeme zařadit schopnost akumulátoru dodávat velké proudy a jeho příznivou cenu. Tedy jsou spíše vhodné pro klasické automobily. [10]

12

3.1.2 Akumulátor nikl - kadmium Kladná elektroda je tvořena hydroxidem hliníku, záporná hydroxidem kademnatým. Elektrolytem je hydroxid draselný ředěný destilovanou vodou. [2] Vozidlo vybavené tímto typem akumulátorů dosahuje až o 50% většího dojezdu, než vozidlo s olověnými akumulátory o stejné hmotnosti. Za jistých podmínek může vznikat paměťový efekt. K dosažení plné kapacity musí být akumulátor pravidelně úplně (cyklicky) vybíjen. Baterie nikl - kadmiové dosahují životnosti 1500 cyklů při dojezdu 120 000 km. [3]

3.1.3 Akumulátor nikl - metalhydrid Katoda je tvořena speciální kovovou slitinou, která s vodíkem vytváří směs hydridů. Tato slitina je většinou složena z niklu, kobaltu, manganu, případně hliníku a některých vzácných kovů. Anoda je tvořena z oxid - hydroxidu niklitého NiO(OH). Elektrolytem je vodný roztok hydroxidu draselného. [8] Svorkové napětí naprázdno je 1,3 až 1,4 V, měrná energie 55 - 80 Wh/kg. Akumulátory nikl - metalhydrid jsou neškodné okolnímu prostředí. Mimoto mají ve srovnání s akumulátory nikl - kadmiovými vyšší výkon i energetickou hustotu, nemohou být ale tak často nabíjeny a vybíjeny. Problémem je s vysoká cena a relativně nákladná recyklace na konci životnosti. [3]

3.1.4 Akumulátor lithium - iontový Katoda akumulátoru je složena z Li2MnO2 nebo LiCoO2 a nebo LiNiO2, anoda je z uhlíkových vláken připravených z grafitizovaných částí koksu. Elektrolytem je vodivá sůl (např. LiPF6) a rozpouštědlo. [3] Lithium - iontové akumulátory mají vysokou energetickou a výkonovou hustotu jako akumulátory nikl - metalhydridové. Měrná energie dosahuje 120 až 160 Wh/kg a životnost až 1000 cyklů. Paměťový efekt se u nich nevyskytuje. Jejich kapacita závisí

13

na teplotě, klesá rychle mimo optimální rozsah mezi 5 a 30 °C. Dalším problémem je dosud ještě vysoká cena. [3]

3.1.5 Akumulátor lithium – železo - fosfát Tyto akumulátory jsou další verzí lithium-iontových akumulátorů. Materiálem katody je LiFePo4. Anoda je vyrobena u uhlíku. Mezi jejich hlavní přednosti oproti klasickým lithium iontovým akumulátorům patří schopnost dodat vyšší proud. Dalšími výhodami je vysoká životnost (3-10let), dobíjecí účinnost (95%), měrná energie 80- 120 Wh/kg , vysoký počet dobíjecích cyklů 2000-300. Nemají paměťový efekt, jsou netoxické, bezpečné a levné oproti jiným typům lithiových akumulátorů. Nevýhodou lithium-železo fosfátových akumulátorů je snižování životnosti při rychlém dobíjení a možnost předčasného selháními větším množství hlubokých cyklů, tj. vybíjení pod 33%. [11]

3.1.6 Akumulátor vysokoteplotní Pracovní teplota vysokoteplotních akumulátorů se pohybuje mezi 250 a 330 °C. Patří sem akumulátory sodík - síra a sodík - niklchlorid. Akumulátor sodík – niklchlorid je také nazýván jako ZEBRA - baterie (Zero - Emission Battery). U těchto akumulátorů je katodou tekutý dusík. Materiálem anody je pevný niklchlorid nebo síra a je ponořena ve viskózní tekutině (např. niklchloridových částích smíchaných s roztavenou solí). Elektrody jsou separovány izolační keramikou, kterou procházejí ionty sodíku. Mezi výhody těchto akumulátorů patří bezúdržbovost, nedochází u nich k samovybíjení, odpadní teplo se využívá k ohřevu akumulátoru. Nevýhodou je malá životnost a nutnost udržování pracovní teploty.

14

3.2 Elektromotory Jde o točivé elektrické stroje, které slouží k přeměně elektrické energie na energii mechanickou, anebo naopak přeměňují mechanickou energii na elektrickou, tento elektromotor je generátor. Elektromotory jsou tvořeny pevnou vnější částí statorem a pohyblivou vnitřní části rotorem. Pracují na principu elektromagnetické indukce. Trakční elektromotory určuje hodnota momentu, menší význam mají pak hodnoty výkonu. Musí být konstrukčně spolehlivé a ve velkém rozsahu otáček musí mít dostatečný výkon. Důležitá je kompaktní stavba, vysoká účinnost při malé hmotnosti, krátkodobá přetížitelnost, nízká hladina zvuku a nízké udržovací náklady. [3]

3.2.1 Stejnosměrný elektromotor s cizím buzením Podle zapojení kotvy a budícího vinutí dělíme stejnosměrné elektromotory na sériové elektromotory, paralelní elektromotory a kompaudní elektromotory. Sériový elektromotor se vyznačuje dobrým počátečním točivým momentem, ale se zvyšujícími se otáčkami moment rychle klesá. U paralelního elektromotoru točivý moment klesá pomaleji lineárně s otáčkami. Tento elektromotor najdeme u většiny elektrovozidel. Kompaudní elektromotor má budící vynutí zapojeno sério - paralelně, čímž kombinuje výhody sériového a paralelního elektromotoru. K regulaci stejnosměrných elektromotorů se používá elektronická regulace napájení vinutí elektromotoru pomocí křemíkových tyristorů s pravoúhlým průběhem napětí. Zvolená střední hodnota proudu se nastavuje změnou frekvence a amplitudy. [3] Stejnosměrné motory jsou silně přetížitelné. Pro trvalý výkon po dobu jedné hodiny je přetížitelnost 20 % nad trvalým výkonem. Krátkodobě při rozjezdu je

15

přetížitelnost až 100 %. Hraniční otáčky jsou omezeny přibližně na 7 000 min-1. [3] Je tedy třeba použití vícestupňové převodovky. Stejnosměrné elektromotory se vyznačují výhodnou tahovou charakteristikou, jednoduchou regulací otáček. Nevýhodou je náchylnost komutátorů a uhlíkových kartáčů k poruchám, musí se stále udržovat. Další z nevýhod je nižší účinnost a hustota výkonu ve srovnání s asynchronními elektromotory.

3.2.2 Asynchronní elektromotor Výhodou asynchronního motoru (obr. 3) je, že nemá vinutí kotvy a kolektoru, tím je možno dosáhnout otáček až 20 000 min-1. Asynchronní motor je oproti stejnosměrnému motoru při stejném výkonu lehčí a menší, což činní výkonovou hmotnost asi 1kg/kW. Dále se vyznačuje jednodušší konstrukcí, je robustní, silně přetížitelný a bezúdržbový. Snad jedinou nevýhodou jsou náklady spojené s elektronickou regulací. Stejnosměrný proud akumulátoru je nutno přeměnit na střídavý. Obvykle se toho dosahuje cyklickým zapínáním tyristoru, přitom se pravoúhlý průběh mění přibližně na sinusový. K regulaci tahové síly otáček motoru musí být proměnná frekvence i napětí. [1]

Obr. 3: Schéma asynchronního motoru [3]

16

3.2.3 Transversální elektromotor Transversální elektromotory mohou být buzeny elektricky nebo permanentně. U elektromotorů elektricky buzených protéká vinutím rotoru stejnosměrný proud, který je vyvolaný magnetickým polem. Tímto se, důsledkem změny stejnosměrného proudu dosahuje velkého rozmezí maximálního konstantního výkonu. Mezi výhody transversálních elektromotorů patří vysoké otáčky (až 15 000 min-1), vysoká účinnost, jsou kompaktní, robustní a bezúdržbové.

3.2.4 Řízený reluktanční elektromotor Jsou to střídavé elektromotory založené na technice krokových motorů. Rotor je vyroben z měkkého železa, pólové nástavce mají tvar ozubeného kola. V rotoru elektromotoru není budící vynutí. Reluktanční elektromotory (obr. 4) se vyznačují vysokou účinností, vysokým točivým momentem už v nízkých otáčkách, robustní konstrukcí, vysokou přetížitelností a nízkými náklady. Jejich nevýhodou je nerovnoměrný točivý moment, který může způsobit výrazný hluk, ten zle odstranit použitím výkonové elektroniky.

Obr. 4: Schéma reluktančního elektromotoru

17

3.3 Smart Electric Drive Smart electric drive (obr. 5) je elektromobil s maximálním výkonem 55 kW, točivým momentem 130 Nm, maximální rychlostí 125 km/h, zrychlením z 0 na 100 km/h za 11,5 s, kombinovanou spotřebou energie 15,1 kW/100km a dojezdem až 145 km. Jsou zde použity lithium - iontové akumulátory s kapacitou 17,6 kWh.

Obr. 5: Elektromobil Smart Electric Drive [23]

Elektromobil může být dobíjen z běžné domácí zásuvky 230 V palubní nabíječkou, doba nabíjení je kolem 7 hodin. Další možností nabíjení může být rychlonabíjení z pevně instalované 400 V nabíjecí stanice tzv. wallbox, anebo z veřejných nabíjecích stanic, délka nabíjení činí 6 hodin. V režimu zpomalení a při brzdění pracuje elektromotor jako generátor, který převádí část přebytečné kinetické energie na elektrickou energii, ta pak teče zpět do akumulátoru a v konečném důsledku zvyšuje dojezd. [23]

18

4 MOTOROVÁ VOZIDLA S VODÍKOVÝM POHONEM Vodík k pohonu motorových vozidel může být využíván dvěma způsoby. První představuje přímé spalování vodíku v klasickém spalovacím motoru, druhou možností je použití vodíku v palivových článcích. [3]

4.1 Vodík jako plynné palivo Palivový systém motoru je vybaven elektronickým směšovacím systémem, který určuje směšovací poměr vodíku a vzduchu. Spalování probíhá s přebytkem vzduchu. Přidaný vzduch ve spalovacím prostoru odnímá teplo, tím klesá teplota plamene pod kritickou mez, nad niž by se směs mohla sama vznítit. Vznikající oxidy dusíku jsou neutralizovány redukčním katalyzátorem. Bez dalších přídavných zařízení pracují vodíkové motory téměř bez emisí, oproti motorům spalujících fosilní paliva jsou všechny emisní komponenty sníženy až o 99,9%. [20]

4.2 Výroba vodíku Vodík může být vyráběn několika způsoby z velkého množství vstupních zdrojů. Roční světová produkce vodíku je přibližně 55 milionů tun. Stále však převládá výroba vodíku z fosilních paliv. Další možností je výroba vodíku z obnovitelných zdrojů. S jejich využitím se vodík získává pomocí elektrolýzy vody, vysokoteplotního rozkladu vody, zplyňováním či pyrolýzou biomasy nebo výrobou a využitím speciálních bakterií. [5] Procentuální podíl surovin na výrobě vodíku je znázorněn na obr. 6. Hlavním důvodem rozvoje vodíkového hospodářství je nalezení alternativy k využívání fosilních paliv. Proto je soustředěn způsob výroby vodíku na technologie, které neprodukují škodlivé emise a nejsou závislé na dodávkách fosilních paliv. [5]

19

Obr. 6: Procentuální podíl surovin na výrobě vodíku [5]

Technologie výroby vodíku: •

Elektrolýza vody

•

Vysokoteplotní elektrolýza

•

Parní reformování zemního plynu

•

Reformování metanolu

•

Termochemické cykly štěpení vody

•

Biotechnická produkce vodíku

20

4.3 Palivový článek Palivové články jsou zařízení, v nichž na základě elektrochemických procesů dochází k přímé přeměně vnitřní energie paliva na energii elektrickou. [2] Jsou tedy, v tomto ohledu, podobné článkům primárním či sekundárním (akumulátorům). Na rozdíl od akumulátorů aktivní chemické látky nejsou součástí anody a katody, ale jsou k nim průběžně přiváděny z vnějšku. Obě elektrody působí jako

katalyzátory

chemických

přeměn,

během

činnosti

článku

se

téměř

neopotřebovávají a nemění se jejich chemické složení. Palivový článek se tedy nevybíjí. Pokud jsou do palivového článku aktivní látky přiváděny trvale, může prakticky pracovat bez časového omezení. Mezi charakteristické parametry palivových článků se řadí velikost napětí, velikost proudu či výkonu odebíraného z 1 dm2 (1 cm2) elektrod. Často se také udává měrný výkon (W/kg), objemový výkon (W/dm3) nebo výkon na jednotku plochy elektrod (W/cm2). [2] Dalším rozdílem je pracovní teplota, která je u palivových článku vyšší než u akumulátorů, což se odráží na rozdílné technologii výroby. Účinnost palivových článků se pohybuje mezi 40 – 50%, dle zatížení a typu palivového článku. Vysoká účinnost je dána přímou přeměnou energie. [5] Rozdělení palivových článků dle provozní teploty: •

Nízkoteplotní 60 – 130 °C

•

Středněteplotní 160 – 220 °C

•

Vysokoteplotní 600 – 1050 °C

4.3.1 PEMFC - palivový článek s polymerní elektrolytickou membránou Princip těchto palivových článků (obr. 7) spočívá v tom, že propouští pouze jádra vodíku (protony). Jako palivo zde lze použít vodík nebo metanol, okysličovadlem je kyslík nebo vzduch. Pracovní teploty palivového článku se pohybují kolem 60 až 90°C. Tyto palivové články se nejčastěji, díky své nízké pracovní teplotě a značné hustotě výkonu, používají jako zdroje energie pro dopravní prostředky. Materiálem

21

katalyzátoru je platina nebo slitiny platinových kovů. Tento typ palivového článku požaduje velmi vysokou čistotu vstupních plynů, jelikož už nepatrná nečistota, zejména tvořená určitým podílem oxidů uhlíku, snižuje výkon těchto článků. [22] Účinnost PEM článků se pohybuje mezi 45 – 60 %.

A – katoda, B – iontoměničná membrána, C – anoda, Z – vnější elektrická zátěž Obr. 7: Princip palivového článku s polymerní membránovou elektrodou PEMFC [21]

4.3.2 AFC – palivový článek s alkalickým elektrolytem Jedná se o palivový článek s alkalickým elektrolytem, kterým je alkalický hydroxid (NaOH, KOH). Provozní teplota článků se pohybuje v rozmezí 20 °C až 100°C. Při této teplotě vykazují články účinnost 60 – 70 %. Napětí článků je 1,2 V, z tohoto důvodu se pro větší výkon skládají do bloku, tzv. stacku. V současné době se tyto typy palivových článků v blocích vyrábějí až do řádu kW. Katalyzátorem je zde platina, nikl, stříbro nebo ušlechtilé kovy. [22]

22

4.3.3 PAFC – palivový článek s kyselinou fosforečnou Tento typ palivového článku využívá elektrolytu na bázi kyseliny fosforečné s grafitovými porézními elektrodami a platinovým povlakovým katalyzátorem. Pracovní teplota těchto článků se pohybuje mezi 160 až 220 °C. Oproti ostatním palivovým článkům mají však malý výkon a proud, ale i nízkou hmotnost. [22]

4.3.4 MCFC - palivový článek s uhličitanovou taveninou Jedná se o vysokoteplotní palivový článek, pracující při teplotách 600 – 650 °C. Vysokou teplotou se dosahuje potřebné vodivosti elektrolytu. Elektrolyt je tvořen z roztavených uhličitanů draslíku a lithia v matrici z tuhé směsi oxidů lithia a hliníku. Díky vysoké teplotě zde není zapotřebí na elektrodách katalyzátor, který zajišťuje průběh reakcí u nízkoteplotních a teplých článků tím, že upraví přiváděné palivo na palivo s vysokým obsahem vodíku. U MCFC je tato přeměna prováděna uvnitř zásobníku článku. Na čistotu paliva zde neplatí tak přísné podmínky jako u článků nízkoteplotních. Články tohoto typu dosahují účinností 45 – 60 %, při využití odpadního tepla lze dosáhnout účinnosti až 85 %. [21]

4.3.5 SOFC - palivový článek s pevným elektrolytem Materiálem pevného elektrolytu je keramika. Výhodou pevného elektrolytu je, že nevyvolává korozi. Tyto články pracují jako vysokoteplotní, jejich pracovní teplota se pohybuje mezi 800 - 1050 °C. Při těchto vysokých teplotách nemusí být pro spalování použito velmi čistého vodíku. Produktem spalovaní jsou vodní páry. Je zde možno přivádět na anodu různé druhy paliv, jako je vodík (nemusí být čistý), metan či oxid uhelnatý. Elektrická účinnost je zde závislá na tlaku paliva a reakčního činidla. Velikost elektrické účinnost se pohybuje zhruba od 45 % do 60 %. [22]

23

4.4 Palivové články v pohonech motorových vozidel Pro elektrické automobily s palivovými články se používá zkratka FCEV (Fuell Cell Electric Vehicle). Jedná se o koncepci hybridního pohonu palivový článekakumulátor - elektromotor. Palivový článek je zde primárním zdrojem energie nahrazující spalovací motor. Jednotlivé komponenty vozidla jsou uspořádány sériově, tedy za sebou (obr. 8).

Obr. 8: Pohonné ústrojí Hondy FCX Clarity [27]

4.4.1 První auto na vodík - Hundai ix35 Hundai ix 35 (obr. 9) je prvním sériově vyráběným automobilem s vodíkovým pohonem, byl představen na ženevském autosalónu roku 2013. Automobil je schopný na jedno natankování ujet až 594 km, jeho maximální rychlost je 160 km/h. Výkon palivového článku je 100 kW, výkon baterie 24 kW. Vodík je skladován pod tlakem 700 bar, hmotnost vodíkové nádrže je 5,6 kg.

24

Obr. 9: Hundai ix35[26]

4.4.2 Traktor na vodík- New Holland Palivové články mohou být využity i pro pohon traktorů. Svůj traktor New Holland (obr. 10) poháněný palivovými články představil německý výrobce roku 2009. Jeho konstrukce vychází z modelu T6000. Výkon vodíkových palivových článků je 100 kW, ve stroji se nachází 384 palivových článků. Kapacita vodíkových nádrží je 8,4 kg. Je vybaven dvěma elektromotory o výkonu 100 kW s maximálním točivým momentem 1200 Nm. Akumulátory jsou lithium-iontové o napětí 300V. Traktor dosahuje maximální rychlosti 50 km/h.

Obr. 10: New Holland NH [25]

25

5 HYBRIDNÍ POHON Hybridní pohon, využívá kombinace několika zdrojů energie pro pohon jednoho vozidla. Může se jednat o různé kombinace například spalovací motor – elektromotor – akumulátor, palivový článek – elektromotor – spalovací motor, spalovací motor – setrvačník atd. Nejrozšířenější koncepcí je spalovací motor – elektromotor – akumulátor (obr. 11). [7]

Obr. 11: Schéma hybridního pohonu [7] Asi největším důvodem zavádění hybridních pohonů do motorových vozidel je malá účinnost součastných spalovacích motorů, která se pohybuje mezi 30 - 40%. Hodnota účinnosti je dána z účinností termodynamického cyklu. Z toho to důvodu se nedá v budoucnosti očekávat zvýšení účinnosti spalovacích motorů. Dalším problémem je, že této účinnosti lze dosáhnout jen v optimálních pracovních podmínkách spalovacího motoru. A v neposlední řadě je problémem volnoběh motoru, při kterém vozidlo stojí na místě a spotřebovává tak palivo. Spalovací motor je schopen uspokojivě pracovat jen v úzkém rozmezí otáček z tohoto důvodu se používají převodovky. Účinnost součastných elektromotorů se pohybuje kolem 90%, které dosahují v širokém rozmezí otáček a zatížení. Ideálním řešením je tedy elektromobil, jenže ten se vyznačuje malým dojezdem a velkou hmotností akumulátorů. [7] U hybridního pohonu nemusí být spalovací motor mechanicky spojen s koly. Může tedy existovat pouze jako generátor elektrické energie. Spalovací motor tak může nerušeně pracovat ve svých optimálních otáčkách, pohánět elektromotory nebo dobíjet akumulátory. [7]

26

5.1 Uspořádání hybridních pohonů Hybridní pohon lze rozdělit na tři základní koncepční uspořádání, jsou to sériové hybridní uspořádání, paralelní hybridní uspořádání a kombinované hybridní uspořádání.

5.1.1 Sériové hybridní uspořádání Jednotlivé poháněcí komponenty jsou vzájemně uspořádány za sebou, tedy sériově (obr. 12). Mechanické spojení spalovacího motoru pro pohon vozidla je možné při konstantních otáčkách jen v optimálním režimu provozu, vzhledem k účinnosti a výfukovým emisím. Spalovací motor může být provozován ve velmi úzkém rozsahu otáček, nebo dokonce jen při jedněch otáčkách. Tím odpadají nehospodárné režimy pracovní charakteristiky, jako je například volnoběh, motor tedy může být nastaven na optimální pracovní rozsah s nejvyšší účinností. Jestliže akumulátory nemohou pokrýt momentální potřebu energie, je spalovací motor automaticky nastartován. Nevýhodou je vícenásobná přeměna energie. [2]

Obr. 12: Sériové hybridní uspořádání [4]

27

5.1.2 Paralelní hybridní uspořádání Při tomto uspořádání je pro pohon spalovacím motorem nutný mechanický připojovací prostředek a převodovka (obr. 13). Převodovka konvenčního typu je společná také pro elektrickou poháněcí větev. U této poháněcí varianty postačuje analogicky měnit otáčky elektrického stroje ve vztahu k spalovacímu motoru. Tankování, respektive výměna akumulátorů omezuje dojezd při pohonu elektromotorem asi na 150 km s omezeným výkonem asi 30 kW a s přibližně osmi hodinovou dobou dobíjení. Při činnosti obou zdrojů energie je možno při nízkých otáčkách motoru zvýšit tažnou sílu. V kombinovaném provozu zůstává spalovací motor trvale zapnut, teprve při velkém zrychlení, začne pracovat elektromotor, tím se zvýší krátkodobě požadovaný špičkový výkon. Tímto převýšením točivého momentu poskytuje paralelní hybrid výkonovou rezervu odpovídající výkonu vysoko obsahového spalovacího motoru. [2]

Obr. 13: Paralelní hybridní uspořádání [4]

28

5.1.3 Kombinované hybridní uspořádání K vývoji kombinovaného hybridního uspořádání (obr. 14) vedly nevýhody paralelního a sériového hybridního uspořádání. Je vybaven děličem výkonu, kterým může být planetová převodovka diferenciální, nebo elektrický stroj. Dělič výkonu zajišťuje, aby tok výkonu spalovacího motoru šel ke kolům buď mechanickou cestou (paralelní hybrid) nebo elektrickou cestou (sériový hybrid). O tom jaký podíl výkonu půjde mechanickou či elektrickou cestou rozhoduje režim, ve kterém se vozidlo nachází. Jsou to například akcelerace, jízda nízkou rychlostí (město), vysokou rychlostí (dálnice), jízda z kopce, brzdění. Tímto systémem jsou vybaveny vozy Toyota a Lexus. [4]

Obr. 14: Kombinované hybridní uspořádání s děličem výkonu [4]

5.2 Typy hybridních pohonů Podle typu se hybridní pohony dělí na power assist hybrid, mild hybrid, plug-in hybrid.

29

5.2.1 Power assist hybrid Spalovací motor je primární pohonnou jednotkou vozu. V případě potřeby akcelerace se připojí elektrický motor tzv. electric boost. Elektromotor je umístěn mezi motorem a převodovkou. Vozidlo je vybaveno akumulátory, které jsou dobíjeny při jízdě z kopce, brzdění. Čistě elektrický pohon není prakticky možný, z důvodu nízkého výkonu elektromotoru. Elektromotor zároveň pracuje při brzdění jako generátor. Příkladem je Honda Civic se systémem IMA (obr. 15). [3]

Obr. 15: Honda Civic IMA [12] 5.2.2 Mild hybrid Generátor ve vozidle přebírá funkci startéru i alternátoru. Vozidla využívají tzv. Stop-start režimu. Spalovací motor je vypnut při dojezdu ke křižovatce, ostatní spotřebiče zůstávají zapnuty. Po ukončení brzdění vozidla spalovací motor opět nastartuje. Například u BMW se při plném zatížení motoru odpojí alternátor, při nízkém zatížení je dobíjen akumulátor.

5.2.3 Plug – in hybrid Dalším krokem k zdokonalení hybridních pohonů je tzv. PHEV ( Plug-in hybrid elektric vehicle). Vůz s tímto typem hybridního pohonu je vybaven akumulátory, které je možno dobíjet přímo ze sítě. Měřítkem u takových vozů je pak vzdálenost, kterou je vozidlo schopno ujet bez použití spalovacího motoru. [3]

30

5.3 Zdroje elektrické energie Zdrojem elektrické energie hybridních vozidel jsou akumulátory, vysokoenergetické kondenzátory či mechanické akumulátory.

5.3.1 Akumulátory U hybridních vozidel jsou používány stejné typy akumulátorů jako u elektromobilů. Je však třeba zohlednit, že akumulátory hybridních vozidel jsou často nabíjeny vybíjeny pouze částečně než zásobníky energie elektrických vozidel. Volba závisí především na struktuře a koncepci hybridního pohonu. Požaduje-li se vysoká hustota výkonu, je lepší nikl - kadmiový akumulátor nebo nikl - metalhydridový akumulátor (obr. 16). Pro vyšší dojezd jsou vhodnější akumulátory vysoké energické hustoty, jako například ZEBRA - akumulátor. [3]

Technicky důležitá kritéria trakčního akumulátoru: •

Energetická a výkonová hustota, vysoká účinnost

•

Bezúdržbový provoz, velká životnost nízká hmotnost

•

Ekologická čistota výroby, provozu i recyklace [2]

Obr. 16: Nikl-metalhydridový akumulátor používaný u Toyoty Prius III [16]

31

5.3.2 Vysokoenergetické kondenzátory - superkondenzátory Hlavní výhodou kondenzátorů oproti běžným akumulátorům, které pravidelně používáme, je vysoká účinnost, schopnost podat okamžitě plný výkon, odolnost proti přebíjení i extrémnímu vybíjení, životnost několik desítek let, mnohonásobně větší počet nabíjecích cyklů a především krátká doba nabíjení. [6] V kondenzátoru lze elektrickou energii akumulovat v nezměněné formě za pomocí polarizace dielektrika, proto je kondenzátor principielně nejvýhodnější k akumulaci elektrické energie. Odpadají tak ztráty spojené při přeměně elektrické energie na jiný druh energie např. změnou chemické vazby, kdy je tento jev patrný u akumulátorů. Jako materiál pro výrobu elektrod se používá pórovitý uhlík, tímto materiálem se dosahuje velkých vnitřních ploch obou elektrod, až 2000m2 v jednom gramu. To vede k mnohonásobnému zvýšení kapacity. Elektrody jsou tvořeny paralelními spojení uhlíkových určitého počtu plátů hliníkovou folií a jsou ponořeny v organickém elektrolytu. Jednotlivé elektrody jsou od sebe odděleny separátory z papíru, skleněných vláken nebo polymerů sloužících jako dielektrikum. Konstrukce superkondenzátoru je znázorněna na obr. 17. Superkondenzátor je zcela bezúdržbový a schopný fungovat i při nízkých teplotách, až do - 40°C. Stav nabití se jednoduše určí poklesem jmenovitého napětí.

Obr. 17: Konstrukce superkondenzátoru [3]

32

5.3.4 Mechanické akumulátory energie V praktickém použití ve vozidle je brzdící kinetická energie předávána setrvačníku a později opět pomocí generátoru využita pro další jízdu. [3] Zpravidla je deskovitého tvaru jako rotační těleso. Zásobní kapacita závisí na maximálních otáčkách a hmotnosti setrvačníku. Pracují bez opotřebení, bez chemikálií a mají vysokou životnost. Rotační hmotnosti vyvolávají vysoké síly. Proto je sestrojen z pevnostní oceli legované vysokohodnotným titanem a vláknitým spojovacím materiálem. Zvláštním požadavky jsou také na ložiska. Zavedením magnetických ložisek bez otěru a bez tření, je možno výkonovou hustotu setrvačníku zvýšit. Úspora energie může být až 30%. [3] Při pohybu vozidla dochází k vychýlení osy rotace setrvačníku, tím vznikají dynamické jevy ovlivňující dynamické vlastnosti vozidla. Vhodné umístění osy rotace setrvačníku kolmé na osu vozidla.

5.4 Elektromotory U hybridních pohonů elektromotory mohou pracovat jako generátory nebo motory. Generátory elektrické energie, mění mechanickou energii na elektrickou, to je děje například při rekuperaci anebo při dobíjení akumulátoru. Motory mění elektrickou energii na mechanickou a tím pohání vozidlo. Nejčastěji používané elektromotory u hybridních vozidel jsou synchronní elektromotory. Dále se používají stejnosměrný elektromotory s cizím buzením, asynchronní elektromotory a reluktanční elektromotory.

33

5.5 Systém Hybrid Synergi Drive – Toyota Prius Systém Hybrig Synergi Drive (HDS) je hybridní technologie vyvinutá Toyotou. Poprvé tento systém byl přestaven na tokijském autosalónu roku 1995 v automobilu Toyota Prius I, tehdy ještě pod názvem Toyota Hybrid Systém (THS). Dnes je tento systém, který prošel dalším vývojem, používán již v třetí generaci Toyoty Prius (obr. 18). Toyotu Prius můžeme označit jako kombinovaný hybrid.

Tab. 2: Technické parametry automobilu Toyota Prius Motor

Řadový zážehový čtyřválec DOHC 16V, VTT-i

Zdvihový objem

1798

Převodovka

e- CVT

Výkon motoru

73/5200 kW/min-1

Točivý moment motoru

142/4000 Nm/ min-1

Maximální rychlost

180 km/h

Zrychlení 0-100 km/h

10,4 s

Celková hmotnost

1805 kg

Kombinovaná spotřeba

3,9 l/100 km

Emise CO2 - kombinované

91 g/km

Elektromotor

Synchronní s permanentním magnetem

Výkon elektromotoru

60 kW

Točivý moment elektromotoru

207 Nm

Napětí elektromotoru

650 V

Akumulátor

Nikl - metal hydridový (NiMH)

Napětí

201,6 V

Kapacita

6,5 Ah

Celkový výkon hybridního motoru

136 kW

34

Obr. 18: Toyota Prius III [14] Spalovací motor Toyoty Prius (obr. 19) používá Atkinsonův cyklus. U tohoto cyklu je sací ventil uzavírán až za dolní úvratí, část komprese je nevyužita a vzduch uniká do sacího potrubí. To je dáno požadavkem menšího množství vzduchu potřebného k naplnění válce při nižším zatížení a otáčkách. Dráha, po kterou dochází ke kompresi je menší něž dráha expanzní. Více tepla je přeměněno v mechanickou práci. Motor spotřebuje méně paliva. [3] Nikl- kadmiový akumulátor Toyoty Prius je složena z 28 modulů, které obsahují 6 článků. Velikost napětí každého článku je 1,2 V. Hmotnost akumulátorů je 45kg. Optimální teplotu a nabití akumulátorů hlídá elektronika.

Obr.19: Hybridní motor Toyota Prius III [14]

35

Funkce hybridní soustavy Toyota Prius je znázorněna na obr. 20. Funkci je možno rozdělit do pěti fází: a) Rozjezd, pomalá jízda – vozidlo je poháněno elektromotorem. Spalovací motor není v činnosti, jelikož by běžel v nehospodárném režimu. [2] b) Normální jízda – spalovací motor pohání kola vozidla, pomocí rozdělovacího soukolí, a generátor, který dodává elektrický proud elektromotoru. [2] c) Akcelerace – při plném sešlápnutí akceleračního pedálu pohání vozidlo spalovací motor i elektromotor. Elektromotoru dodávají proud i akumulátory. [2] d) Brzdění – kinetická energie vozidla se využívá k pohonu elektromotoru, jenže se mění v generátor, který dobíjí baterie. [2] e) Dobíjení akumulátorů – při poklesu napětí na akumulátorech, začnou být dobíjeny generátorem. [2]

Obr. 20: Schéma uspořádání hybridní soustavy Toyoty Prius a její funkce [2]

36

5.6 Systém IMA-Honda Insight Integrated Motor Assist (IMA) je hybridní pohonný systém automobilky Honda. Lze jej označit jako paralelní hybrid. Poprvé byl tento systém představen roku 1999 v hybridním automobilu Honda Insight (obr. 21). Můžeme jej nalézt také v modelu Honda Civic Hybrid. [13] Tab. 3:Technické údaje automobilu Honda Insight Motor

Řadový čtyřválec SOHC, 8V i-VTEC

Zdvihový objem

1339 cm3

Převodovka

Bezstupňová CVT

Výkon motoru

66/5800 kW/min-1

Točivý moment motoru

123/1700 Nm/ min-1

Maximální rychlost

182 km/h

Zrychlení 0-100 km/h

12,6 s

Pohotovostní hmotnost

1276 kg

Kombinovaná spotřeba

4,2 l/100 km

Emise CO2 - kombinované

101 g/km

Elektromotor

Synchronní s permanentními magnety

Výkon elektromotoru

10/1500 kW/min-1

Točivý moment elektromotoru

58/1000 Nm

Akumulátor

Nikl - metal hydridový (NiMH)

Napětí

100,8V

Kapacita

5,75 Ah

Kombinovaný výkon pohonné jednotky

100 kW

Základní myšlenkou této koncepce je snížení spotřeby paliva využitím energie z brzdění. V automobilu s konvenčním pohonem se tato energie ztrácí v podobě tepla a hluku, v IMA je tato energie uložena do akumulátorů a při akceleraci slouží k pohonu pomocného elektromotoru. [13]

37

Obr. 21: Honda Insight [12]

K dalším úsporám dochází snížením tření motoru a odpojením zapalování a uzavření ventilů při brzdění. To znamená, že motor v tomto režimu žádné palivo nespaluje, ale ani nespotřebovává energii na čerpání vzduchu skrz válce. Stejný princip využívá systém Variable Cylinder Managment (VCM), který uzavírá válce v případech, kdy je potřeba jen malý točivý moment, například při jízdě nízkou rychlostí. Insight je poháněn výhradně elektromotorem a spalovací motor běží na prázdno. [13]

Obr. 22: Motor Honda Insight [15] Bateriové články jsou kvůli snížení těžiště umístěny pod podlahou. Výkon z rekuperačního brzdění umožňuje rychlejší nabití akumulátorů a tedy i častější připravenost k napájení elektromotoru. Chlazení akumulátorů je provedeno motorem na boku akumulátoru, který nasává vzduch trubkami vedoucími ke vstupům na vnější straně sedáků zadních sedadel. [13]

38

5.7 Systém Voltec – GM Opel – Opel Ampera U systému Voltec, používaném v automobilu Opel Ampera (obr. 23), je elektřina primárním zdrojem energie. Spalovací motor zde slouží pouze jako generátor elektřiny, tedy sekundární zdroj energie v okamžiku, kdy se blíží vybití akumulátoru. Akumulátor lze nabíjet ze zásuvky jde tedy o sériový plug - in hybrid.

Tab. 4: Technické údaje automobilu Opel Ampera Motor

A 1.4 XFL + elektromotor

Zdvihový objem

1398 cm3

Převodovka

Automatická, elektronické řazení stupňů

Výkon motoru

63 kW

Maximální rychlost

161 km/h

Zrychlení 0-100 km/h

8,5 s

Celková hmotnost

1732 kg

Průměrná spotřeba

1,2 l/100 km

Emise CO2 - kombinované

27 g/km

Výkon elektromotoru

111 kW

Točivý moment elektromotoru

370 Nm

Akumulátor

Lithium – iontový (Li - on)

Kapacita

16 kWh (z toho 8,8 kWh využitelných)

Oficiální dojezd na elektrický pohon

83 km

Typický dojezd na elektrický pohon

40 - 80 km

Celkový dojezd

více než 500 km

Domácí dobíjecí stanice

průměrně 4 hodiny

Dobíjecí kabel 10 A

průměrně 6 hodiny

Dobíjecí kabel 6 A

průměrně 11 hodiny

39

Obr. 23: Opel Ampera [17]

Systém elektrického pohonu, spolu se zážehovým motorem, tvoří trakční elektromotor, elektrický generátor/motor a planetová převodovka, zvyšující účinnost pohonu redukcí otáček elektromotoru. Sériové uspořádání pohonu v Opelu Ampera je znázorněno na obr. 24. V režimu prodlouženého dojezdu, který se aktivuje vždy při poklesu kapacity akumulátoru pod stanovenou hodnotu, čerpá trakční elektromotor elektrickou energii z generátoru poháněného čtyřválcovým zážehovým motorem. Pohon Opelu Ampera můžeme rozdělit do dvou hlavních jízdních režimů, a to Normal a Sport. Režim sport zvyšuje citlivost pedálu akcelerátoru. Pro specifické podmínky jsou k dispozici další dva režimy: Horský režim Moutain, který zabezpečuje dostatečnou energii baterie pro jízdu horskými oblastmi. Režim konzervace energie Hold-charge zachovává dostatečnou zbytkovou energickou kapacitu akumulátoru aktivací zážehového motoru, což je užitečná funkce pro plné využití výhod elektrického pohonu v zónách s omezenými emisemi, jako jsou například centra některých velkých měst.

40

Akumulátor je uložený ve středovém tunelu vozu pod zadními sedadly. Akumulátor chrání opěrné lišty z martenzitové ultra-pevné oceli. Celý akumulátor je tvořen z 288 lithium - iontových článků a je konfigurovaný pro optimální výkon a životnost. Jako první sériově vyráběný systém svého druhu využívá kapalinový systém tepelné regulace, který dokáže podle potřeby baterií zahřívat či chladit. Akumulátor Opel Ampera je možno dobíjet z běžné domovní zásuvky a veřejné elektrické sítě. [17]

Obr. 24: Sériové uspořádání pohonu v Opelu Ampera [17]

5.8 Hybridní autobus Volvo 7900 Hybridní autobus Volvo 7900 (obr. 25) je paralelní hybrid na dieselový a elektrický pohon, kde obě hnací jednotky mohou pracovat nezávisle na sobě. Elektromotor se používá k rozjezdu z klidového režimu a ke zrychlení na rychlost zhruba 20 km/h. Při vyšších rychlostech přebírá pohon autobusu 4 válcový pětilitrový motor o výkonu 161 kW, který pracuje v úzkém rozsahu otáček. Elektromotor slouží jako hnací motor i jako generátor. Energie vznikající při brzdění se využívá k dobíjení

41

akumulátorů, které opět napájí elektromotor nebo pomocné systémy. Paralelní uspořádání hlavních komponentů hybridního autobusu je znázorněno na obr. 26.

Obr. 25: Hybridní autobus Volvo 7900 [18] Výhodou autobusového hybridu je systém automatické převodovky I- Shift. Dvanácti rychlostní rozdělená převodovka má jemné odstupňování převodových stupňů, což má za následek mnohem nižší energetické ztráty. [18]

Tab. 5: Technické údaje hybridního autobusu Volvo 7900 Motor

Paralelní hybrid s pohonem zadních kol 4 válce, vznětový 5l

Výkon vznětového motoru

161kW

Točivý moment vznětového motoru

800Nm

Výkon elektromotoru

120kW

Emisní třída

EURO 5

Hmotnost

19 t

Převodovka

Volvo I - Shift, 12 - ti stupňová

42

Obr. 26: Schéma hlavních součásti hybridního autobusu [18]

Velmi pozitivní vlastností autobusu je to, že stojící autobus (při volnoběhu) neprodukuje žádné výfukové plyny, neboť v tomto stavu se vznětový motor vypne. Což je u autobusů velice efektivní řešení z hlediska úspor, jelikož městské autobusy 30 – 40% provozní doby stráví ve volnoběžných otáčkách. Celkově pak hybridní autobus oproti dieselovým autobusům produkuje o 30% a 40% méně emisí oxidu uhličitého o polovinu méně oxidů dusíků a částic. [18]

6 ZÁVĚR Jak již bylo uvedeno alternativní pohony jsou vyvíjeny z důvodů snížení škodlivých emisí a snižujících se zásob ropy. Dopravní prostředky mají 20% podíl na vzniku skleníkových plynů, a jsou faktorem zhoršeného ovzduší ve městech. Emise elektromobilů se dělí na přímě a nepřímé. Přímé emise elektromobily neprodukují, jelikož tyto emise vznikají při spalování fosilních paliv. Nepřímé emise jsou spojeny s výrobou elektrické energie potřebné k nabíjení akumulátorů. Nevýhodou elektrických pohonů je uváděn jejich poměrně krátký dojezd, který je dán kapacitou

43

akumulátorů. Tímto se spíše hodí do městského provozu, nebo pro dopravu na kratší vzdálenosti. Krátký

dojezd

řeší

elektromobilů

kombinace

spalovacího

motoru

a

elektromotoru, tedy hybridní pohony. Hybridní pohony jsou rozděleny podle uspořádání elektromotoru a spalovacího motoru, jsou to tedy sériové, paralelní a kombinované hybridy. Nejčastěji se používá paralelní koncepce. Hybridní pohony využívají několika jízdních režimů, kdy vozidlo je poháněno pouze elektromotorem, to se děje například při rozjezdu. Pří akceleraci je spuštěn spalovací motor. Spalovací motor je nastartován i při poklesu napětí akumulátorů. Nejčastějším elektromotorem hybridních pohonů je synchronní s permanentními magnety. U dnešních hybridů mohou být akumulátory dobíjeny přímo ze sítě, jsou to tzv. Plug-in hybridy. Tudíž je možnost dobít akumulátory před jízdou. U těchto pohonů došlo ke snížení produkce emisí a snížení spotřeby fosilních paliv. Vozidla s vodíkovým pohonem mohou budˇ vodík spalovat ve spalovacím motoru anebo být poháněny palivovými články. Vodík je získávám různými technologiemi z různých zdrojů, výroba vodíku je ale nákladná a v některých případech neekologická. V případě rozšíření těchto vodíkových pohonů, je třeba vytvoření síť čerpacích stanic na vodík, například v České republice je tahle čerpací stanice jen jedna. Prototypy vodíkových pohonů představily světové automobilky jako je například Honda, Toyota, Mercedes, BMW. Dokonce automobilka Hundai na letošním ženevském autosalónu představila první sériově vyráběný automobil na vodík. Pohony motorových vozidel palivovými články se vyznačují dlouhým dojezdem a to až okolo 400 - 450 km na jednu nádrž, nulovými emisemi. Dle mého názoru nejlepším řešením jsou elektromobily, delšího dojezdu by se zde mohlo docílit zvýšením kapacity akumulátorů. Jsou tiché bez produkcí přímých emisí. Je zde však problém, z hlediska ekologie, likvidace akumulátorů. Také záleží na způsobu výroby elektrické energie, který může způsobovat emise nepřímé.

44

7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1] VLK, F.: Koncepce motorových vozidel 1. vyd., Brno: František Vlk, 2000, 377s, ISBN 80-238-5276-0 [2] VLK F.: Alternativní pohony motorových vozidel. 1. vyd., František Vlk, Brno, 2004, 234s, ISBN 80- 239-1602-5 [3] HROMÁDKO J.: Speciální spalovací motoru a alternativní pohony. 1.vyd., Jan Hromádko, Praha, 2012, 160s., ISBN 978-80-247-4455-1 [4] Hybridní automobily 2 [online]. 2008 [cit. 2013-03-10]. Dostupné z WWW.: [5] Jak se vyrábí palivo budoucnosti. Vodík pro auta i elektroniku. [online]. 2008 [cit. 2013-04-04]. Dostupné z WWW.: < http://technet.idnes.cz/jak-se-vyrabi-palivobudoucnosti-vodik-pro-auta-i-elektroniku-p6d/tec_technika.aspx?c=A080127_234744_tec_technika_vse > [6] Superkondenzátor - princip, vlastnosti, použití [online]. 2006 [cit. 2013-03-15]. Dostupné z WWW.: [7]

Hybridní

pohon

[online].

[cit.

2013–03-09].

Dostupné

z

WWW.:

[8] Nikl-metal hydridový akumulátor [online]. [cit. 2013-03-15]. Dostupné z WWW.: [9] Čeřovský Z., Pavelka V. [online]. 2003 [cit. 2013-03-11]. Dostupné z WWW.: [10] Olověný akumulátor [online]. 2010 [cit. 2013-03-11]. Dostupné z WWW.: [11] LiFePO4 akumulátory [online]. 2010 [cit. 2013-03-12]. Dostupné z WWW.:

45

[12] Honda Insight. Spescifications. [online]. [cit 2013-03-18]. Dostupné z WWW.: [13] Honda insight – Hybridní útok do nižších sfér [online]. 2009 [cit. 2013-03-19]. Dostupné z WWW.: [14]

Nový

Prius

[online].

[cit.

2013-03-19].

Dostupné

z

WWW:

[15] Green engine technologi – Alternative fuel [online]. 1998-200 [cit 2013-04-07]. Dostupné

z

WWW.:

[16] Toyota Prius třetí generace [online]. 2009 [cit 2013-03-17]. Dostupné z WWW.: [17] Nový Opel Ampera. První elektromobil pro každodenní provoz. [online]. 2012 [cit 2013-03-17].

Dostupné

WWW.:

http://www.bsauto.opeldealer.cz/opel-

showroom/ampera/ [18] Hybridní autobus Volvo úspornější než se předpokládalo.[online]. 2012 [cit 201303-16]. Dostupné z WWW.: [19] Doležel I.: Palivové články- princip, konstrukce, vlastnosti a využití. Ústav pro elektrotechniku AV ČR, Praha, 1999 [online]. [cit 2013-04-6] Dostupné z WWW.: <www.powerwiki.cz/attach/APE/palivo.doc> [20] Horák B, Koziorek J, Kopřiva M.: Studie pohonu mobilního prostředku s palivovým

článkem

[online].

2005

[cit

2013-04-10].

Dostupné

z WWW.: [21] Furka D., Semestrální projekt – palivové články [online]. 2006/2007 [cit.

2013-04-10].

Dostupné

z WWW.:



46

[22] Hloušek M., Uplatnění vodíkového palivového článku [online]. 2012 [cit. 201304-01]. Dostupné z WWW.: < http://www1.fs.cvut.cz/stretech/2012/sbornik/73.pdf> [23] Inovativní řízení nabíjení. [online]. [cit. 2013-04-1]. Dostupné z WWW.: [24]JÁN, Z.: Elektrotechnika motorových vozidel 1., 1.vyd. Brno: Avid s.r.o, 2001, 199s, ISBN [25] Vodíkový traktor NH2 otestuje nezávislá farma v Turíně. [online]. 2012 [cit. 2013-04-14].

Dostupné

z WWW.:


otestuje-nezavisla-farma-v-turine> [26] Autosalon Ženeva 2013.První auto na vodík Hyundai ix 35. [online]. 2013 [cit. 2013-04-14]. Dostupné z WWW.: < http://www.hybrid.cz/autosalon-zeneva-2013prvni-auto-na-vodik-hyundai-ix35> [27] Honda FCX Clarity, la certeza del hidrogeno. [online]. 2011 [cit. 2013-04-14]. Dostupné z WWW.:

47

8 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1: Uspořádání hnacího ústrojí pro elektromobily [2] ............................................. 10 Obr. 2: Olověný akumulátor Optima 850 [24] ............................................................... 12 Obr. 3: Schéma asynchronního motoru [3] ..................................................................... 16 Obr. 4: Schéma reluktančního elektromotoru [3] ........................................................... 17 Obr. 5: Elektromobil Smart Electric Drive [23] ............................................................. 18 Obr. 6: Procentuální podíl surovin na výrobě vodíku [5] ............................................... 20 Obr. 7: Princip palivového článku s polymerní membránovou elektrodou PEMFC [21] ................................................................................................................................. 22 Obr. 8: Pohonné ústrojí Hondy FCX Clarity .................................................................. 24 Obr. 9: Hundai ix35 ........................................................................................................ 25 Obr. 10: New Holland NH [25] ...................................................................................... 25 Obr. 11: Schéma hybridního pohonu [7] ........................................................................ 26 Obr. 12: Sériové hybridní uspořádání [4] ....................................................................... 27 Obr. 13: Paralelní hybridní uspořádání [4] .................................................................... 28 Obr. 14: Kombinované hybridní uspořádání s děličem výkonu [4] .............................. 29 Obr. 15: Honda Civic IMA [12] ..................................................................................... 30 Obr. 16: Nikl-metalhydridový akumulátor používaný u Toyoty Prius III [16] .............. 31 Obr. 17: Konstrukce superkondenzátoru [3]................................................................... 32 Obr. 18: Toyota Prius III [14] ......................................................................................... 35 Obr.19: Hybridní motor Toyota Prius III [14] ................................................................ 35 Obr. 20: Schéma uspořádání hybridní soustavy Toyoty Prius a její funkce [2] ............. 36 Obr. 21: Honda Insight [12] ............................................................................................ 38 Obr. 22: Motor Honda Insight [15] ................................................................................. 38 Obr. 23: Opel Ampera [17] ............................................................................................. 40 Obr. 24: Sériové uspořádání pohonu v Opelu Ampera [17] ........................................... 41 Obr. 25: Hybridní autobus Volvo 7900 [18]................................................................... 42

48

9 SEZNAM TABULEK Tab. 1: Specifické údaje akumulátorů ............................................................................ 11 Tab. 2: Technické parametry automobilu Toyota Prius ................................................. 34 Tab. 3: Technické údaje automobilu Honda Insight ....................................................... 37 Tab. 4: Technické údaje automobilu Opel Ampera ........................................................ 39 Tab. 5: Technické údaje hybridního autobusu Volvo 7900 ..................................................... 42

49