Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Hybridní pohony motorových vozidel Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Vypracoval: Michal Abrahámek
Brno 2011
Volná strana pro zadání práce
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci na téma Hybridní pohony motorových vozidel vypracoval samostatně a pouţil jen pramenů, které uvádím v přiloţeném seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně.
dne …………………………………….. podpis bakaláře………………………...
PODĚKOVÁNÍ Chtěl bych touto cestou poděkovat vedoucímu bakalářské práce Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za čas, který mi věnoval při konzultacích a za pomoc při získávání podkladů.
ABSTRAKT Tato bakalářská práce se zabývá hybridními pohony motorových vozidel. V menší míře se jedná o plynový pohon, hlavním tématem jsou elektrické pohony v různých typech automobilů, jako například Toyota, Hyundai, nebo Volkswagen. Dá se říci, ţe alfou a omegou elektrických motorů jsou baterie, proto jim v této práci věnuji velký prostor. Jedná se hlavně o Lithium-ion akumulátory, u kterých je řešena otázka jejich chlazení nebo naopak vytápění, ale také design a hlavně otázky bezpečnosti. Zmínka je tu také o NIMH bateriích s 240 články, nebo paralelním hybridním systému v Tuaregu. Nelze přehlédnout fakt, ţe hybridní systémy mají svoje uplatnění i ve sportovních vozech, zejména pak ve Formuli 1. Cílem nových technických pravidel je podpořit „Zelenou přírodě“. Klíčová slova: automobil, motor, baterie, akumulátor, startér, pohon, systém, chlazení, lithiumion baterie, alternativní, paralelní, hybridní
ABSTRACT
This bachelor work be concerned with hybrid drive motor vehicles. To a lesser extent, a gas-powered, the main theme of the electrical drives of different types of cars such as Toyota, Hyundai or Volkswagen. I can say that the alpha and omega of electric motors batteries, so they devote this much space. This is mainly a lithium-ion batteries, which are addressed in the cooling or heating the contrary, but also the design and especially security issues. There is also mention of NIMH batteries with 240 articles, or a parallel hybrid system in the Touareg. You can not overlook the fact that hybrid systems also have their application in sports cars, especially in Formula 1 The new technical rules to promote "green nature".
Key words: cars, engines, batteries, battery, starter motor, drive, system, cooling, lithium-ion battery, alternative, parallel, hybrid
OBSAH 1 ÚVOD ........................................................................................................................8 2 CÍL PRÁCE ...............................................................................................................9 3 ZDROJE ENERGIE ................................................................................................. 10 3.1 Lithium-ion technologie ................................................................................ 10 3.1.1 Design baterie..................................................................................... 11 3.1.2 Bezpečnostní technologie ................................................................... 11 3.1.3 Kontrola článků .................................................................................. 13 3.2 Integrace Li–ion baterií do hybridních a elektrických vozidel ........................ 13 3.2.1 Lithium–ion akumulátory a teplota. .................................................... 14 3.2.2 Chlazení vzduchem ............................................................................ 14 3.2.3 Chlazení s chladivem ..........................................................................15 3.2.4 Chlazení kapalinou ............................................................................. 16 3.2.5 Baterie a vytápění ............................................................................... 17 4 TECHNOLOGIE HYBRIDNÍCH VOZIDEL ........................................................... 18 4.1 Paralelní hybridní systém VW Tuareg ........................................................... 18 4.1.1 Technologie VW hybrid ..................................................................... 18 4.1.2 Blue Motion Modely Passat ................................................................ 19 4.2 Toyota hybridní systém ................................................................................. 20 4.2.1 Sériový hybridní systém ..................................................................... 21 4.2.2 Paralelní hybridní systém.................................................................... 22 4.2.3 Sériový/paralelní hybridní systém ....................................................... 22 4.3 Hlavní části hybridních vozidel Toyota.......................................................... 23 4.3.1 Baterie ................................................................................................ 23 4.3.2 Spalovací motor.................................................................................. 24 4.3.3 Elektrický motor ................................................................................. 24 4.3.4 Planetová převodovka......................................................................... 25 4.3.5 Rekuperační brzdění ...........................................................................26 4.3.6 Generátor............................................................................................ 26 4.3.7 Kontrolní řídicí jednotky .................................................................... 27 4.3.8 Redukční převodovka ......................................................................... 28 4.4 Toyota elektrické hybridní vozidlo ............................................................... 28
4.4.1 Technologie pouţívané v elektrických hybridních vozech ................... 29 4.4.2 Elektrický motor ................................................................................. 29 4.4.3 Elektrická řídicí jednotka .................................................................... 30 4.4.4 Nabíjení baterie pomocí cizího zdroje ................................................. 30 4.5 Jízdní reţimy hybridních vozidel ................................................................... 31 4.5.1 Rozjezd .............................................................................................. 31 4.5.2 Pomalá rychlost .................................................................................. 31 4.5.3 Cestování............................................................................................ 32 4.5.4 Cestování/nabíjení .............................................................................. 33 4.5.5 Plné zrychlování ................................................................................. 34 4.5.6 Zpomalení/regenerace energie ............................................................ 34 4.5.7 Zastavení ............................................................................................ 35 4.6 Hyundai Sonata plně hybridní elektrické vozidlo ...........................................36 4.6.1 Hybridizace ........................................................................................ 36 4.6.2 Motor ................................................................................................. 36 4.6.3 Převodovka......................................................................................... 37 4.6.4 Elektromotor ...................................................................................... 38 4.6.5 Hybrid startér ..................................................................................... 39 4.6.6 Řídicí jednotka hybridního systému .................................................... 39 4.6.7 Baterie ................................................................................................ 40 4.6.8 Aktivní vzduchová klapka .................................................................. 40 4.6.9 Přístrojová deska ................................................................................ 41 4.7 Podvozky hybridních vozidel......................................................................... 42 5 HYBRIDNÍ SYSTÉM V MOTORISTICKÉM SPORTU ......................................... 43 5.1 Co přináší hybridní systémy v motoristickém sportu ......................................43 5.2 Mechanické systémy ..................................................................................... 45 5.3 Elektronické systémy ..................................................................................... 46 5.4 Elektro-mechanické systémy ......................................................................... 47 5.5 KERS a pouţití ve Formuli 1 ......................................................................... 47 5.6 Nejlepší strategie a výhled pro závod ............................................................. 48 6 ZÁVĚR .................................................................................................................... 49 SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY ..........................................................................50 SEZNAM OBRÁZKŮ ................................................................................................ 50 SEZNAM TABULEK ................................................................................................. 51
1 ÚVOD Tak jako v mnoha jiných oblastech lidské činnosti, tak i v automobilovém průmyslu je snaha o vyuţívání takových zdrojů energie, které jsou šetrnější k ţivotnímu prostředí. Stále větší spotřeba nafty a benzinu vyţaduje intenzivní těţbu ropy. To však s sebou přináší i velká rizika ekologických zátěţí. Všichni máme v čerstvé paměti havárii na vrtné plošině v Mexickém zálivu, kde došlo v roce 2010 při práci v hloubce asi 1650 metrů ze zatím nezjištěných důvodů k velké explozi a následnému poţáru. O dva dny později se plošina potopila. Uzávěr, který má v takovém případě vrt ihned uzavřít, však selhal a ropa začala vytékat přímo do moře. Ropná skvrna pokryla téměř 10 000 km² a zasáhla pobřeţí Louisiany. Přes všechny snahy firmy BP, která byla za havárii odpovědná, se nedařilo ropu zastavit. Havárie se dotkla i ostrovů při pobřeţí amerických států Alabama a Mississippi a přiblíţila se k břehům Floridy. Únik ropy se podařilo zastavit aţ nasazením 40tunového zařízení na ústí vrtu a uzavřením jeho ventilů. Definitivní řešení bylo zabetonování havarovaného vrtu. Celkem tak podle expertů do Mexického zálivu uniklo 71 aţ 147 milionů litrů ropy. V současné době částečně benzin a naftu nahrazuje plyn, ale konstruktéři se snaţí ve větší míře vyuţívat elektrickou energii. Tady hraje velkou roli výkonná baterie. Jako nejvhodnější se ukazují Lithium-ion technologie. Dobrá zpráva je, ţe se objevila nová loţiska Lithia a to na území Afghánistánu. Ta jsou rozptýlená po celé zemi, včetně oblastí na jihu a východě země, kde probíhají boje mezi vládními silami a povstaleckým hnutím. Rozsáhlý výzkum za pomoci moderní techniky se v asijských horách uskutečnil aţ po vstupu americké armády do země. Je ale otázkou, kdy své nově objevené bohatství Afghánistán vyuţije. Brání tomu nedostatek silnic a potřebného zařízení. Podle odhadů bude trvat nejméně 5 let, neţ bude Afghánistán schopen nová naleziště kovů (jedná se také o ţelezo, měď, kobalt a zlato) vyuţít. Dokonalé zvládnutí problematiky elektrického pohonu by znamenalo velký posun k čistšímu ovzduší, zejména ve velkých městech, kde je doprava mnohdy hlavním zdrojem znečištění. Obávám se však, ţe cesta ke zmíněné dokonalosti bude ještě dosti dlouhá.
8
2 CÍL PRÁCE Seznámit se s moţnostmi hybridního pohonu motorových vozidel, podrobněji popsat konstrukci jak elektrických motorů, tak baterií, které jsou zcela zásadní součástí při pouţití elektrického pohonu. Ukázat v této oblasti nejen klady, ale i zápory.
9
3 ZDROJE ENERGIE V létě 2009, kdy Mercedes-Benz zahájil výrobu hybridních automobilů, musely být vybaveny Lithium-iontovou baterií. Cílem vývoje bylo nahradit olověný akumulátor v motorovém prostoru výkonnějším akumulátorem o výkonu 25 kW, coţ odpovídá hustotě výkonu 2000 W/L. V současné době pouze Lithium-iontová technologie je schopna splnit tento poţadavek. Těţištěm vývoje byla preference bezpečnosti, otázka ţivotnosti a druhu materiálu.
3.1 Lithium-ion technologie Elektrody článků jsou vyrobeny z hliníkové folie potaţené grafitem (anody) a měděné folie potaţené oxidem kovu Lithia (katody). Anody a katody jsou odděleny plastovým separátorem. Elektroda je namočena v organickém elektrolytu, který umoţňuje přenos lithiových iontů. Během nabíjení jsou ionty lithia přepouštěny z oxidu kovu přes uhlíkovou elektrodu, kde vznikne lithium karbid forma (obr. 1). Energie uloţená v tomto procesu můţe být opět inverzní chemickou reakcí, ke které dochází při vybíjení. Kovové Lithium není k dispozici. Při cyklech nabíjení/vybíjení lze opakovat tyto cykly aţ několik tisíckrát, dokud není elektroda vyčerpána. U většiny baterií se můţe jednat aţ o 400 000 cyklů. Výhody technologie jsou uvedeny (na obr. 2). Bezpochyby stojí za zmínku její vysoká hustota energie, bezpečnostní podmínky a vysoká účinnost při dobíjení při teplotách pod 10 oC. [1]
Obr. 1: Proces chemických dějů při nabíjení a vybíjení Lithium-ion článků [1]
10
Obr. 2: Graf závislosti průběhu ţivotnosti baterií na výkonu [1]
3.1.1 Design baterie Pouţívání této technologie umoţňuje mít energetický obsah 0,8 kWh s minimální kapacitou 6,5 Ah (vyuţívá 90Ah startovací baterie). Proto je potřebné, aby výkonnost systému byla 19 kW při konci jejího ţivota. Baterie se skládá ze svařovaných plechů, jako obal, kde je umístěno 35 článků spolu s integrovaným hliníkovým chladičem, který se připojuje přímo ke klimatizaci vozu. Elektrické napětí článků monitoruje systém spolu s baterií a dva hlavní stykače a pojistky, které jsou uvnitř baterie. Všechny spoje, jako jsou konektory, připojení k DC/DC, palubní napájení a klimatizace, jsou umístěny na přední straně. Celková hmotnost baterie je 24,5 kg. Mechanické a únavové pevnosti ţivotnosti byly ověřeny ve speciálních počítačových simulacích. Nejdůleţitější bylo ochránit baterii při nehodách a tím předejít například výbuchu. Důleţitým hlediskem při provozu je celkové chlazení baterie. Toto je podrobně popsáno v následující části. [1] 3.1.2 Bezpečnostní technologie Rostoucí kapacita baterie je doprovázena rostoucími poţadavky na bezpečnost článků a technologie baterií (obr. 3). Z tohoto důvodu byla problematice bezpečnosti věnována zvláštní pozornost. Mimo jiné vývojový proces vzal v úvahu dlouholeté zkušenosti nahromaděné ve výzkumu. [1]
11
Tabulka č. 1: Bezpečnostní rizika jednotlivých typů baterií [1] NiMH
Li-Ion
Nízká
Střední
Vysoká
Vodík exploduje
Vodík hoří Vodík exploduje
Elektrolyt hoří Exploze
Ventilace Monitorování bat.
Ventilace Monitorování bat.
Kontrola článků Monitorování článků
Nebezpečí
Riziko
Energie
OLOVO
Prvky bezpečnostní koncepce: 1. V první fázi jsou všechny kabely barevně kódovány a označeny bezpečnostními pokyny. To zabraňuje náhodnému nahromadění chyb na výrobní lince nebo při pravidelné servisní prohlídce. 2. V druhé fázi umoţňují bezproblémovou ochranu pro celý systém prostřednictvím izolace a nově vyvinutých speciálních konektorů pro tyto účely. 3. Baterie se vyrábí sériově a jsou pečlivě chráněny bezpečnostním opatřením. Články jsou uloţeny ve speciálním gelovém tmelu, který tlumí nárazy. K dispozici je také vypínací ventil pro případ, ţe by došlo k poškození chladicího okruhu. Vnitřní elektronický regulátor nepřetrţitě monitoruje poţadavky na bezpečnost a okamţitě signalizuje závady. 4. Bezpečnostní koncepce znamená oddělit baterie od vysokonapěťových komponentů. 5. To znamená, ţe všechny vysokonapěťové komponenty jsou zapojeny do elektrického vedení. V případě poruchy systém baterie automaticky vypne systém s vysokým napětím. 6. Při nehodě se vysoké napětí vypne během zlomku sekundy. 7. Systém nepřetrţitě monitoruje zapojení v krátkých obvodech.
12
3.1.3 Kontrola článků V rámci americké a evropské spolupráce na podporu programu EU a CAR byly návrhy vyvinout pro bezpečnost bezpečnostní zkoušky a hodnocení pro baterie (obr.4). Přebíjení, proraţení článku, hluboké vybíjení, šok, vnější zkrat a deformace buněk jsou označeny jako formy špatného stavu baterie. V Evropě byly tyto výsledky převedeny do úrovně bezpečnosti Eurocar. Jsou rozděleny do sedmi úrovní bezpečnosti. Sedmá úroveň znamená, ţe články explodují, kdyţ jsou vystaveny popsaným situacím. V souladu s výrobci automobilů pouze články, které splňují úroveň čtyři mohou být pouţívány, aby se zajistilo dodrţování vysokých standardů bezpečnosti. Rozsáhlé testy potvrzují, ţe poţadované bezpečnostní podmínky mají jen pozitivní výsledky. Patří mezi ně například tuhá konstrukce baterie z nerezové oceli, uzavřená baterie v interiéru brání přísunu kyslíku v případě, ţe by se baterie poškodila. [1] Tabulka č. 2: Tabulka bezpečnosti dle Eurocar [1] 1
2
3
4
5
6
7
Bez efektu Ztráta Oprava obalu Elektrolyt<50% Elektrolyt>50% Oheň Roztržení Odlet částic Exploze
Vyhovující
3.2 Integrace Li–ion baterií do hybridních a elektrických vozidel Ukládání elektrické energie je klíčovou technologií pro pohon elektrických jednotek. Tyto jednotky určují rozsah řízení, hmotnost a v malé míře téţ cenu. Lithiumiontové baterie jsou obzvláště vhodné pro plnění těchto parametrů, ale mají zároveň také velmi vysoké poţadavky na udrţení optimální teploty. Zde si představíme zapojení v celém vozidle, odlišné typy systémů pro chlazení baterií a zhodnotíme výhody i nevýhody a v kaţdém případě určíme nejvýhodnější chladicí okruhy.
13
3.2.1 Lithium–ion akumulátory a teplota. Vzhledem ke svým výjimečným vlastnostem budou Lithium-iontové baterie v budoucnu slouţit jako zdroje elektrické energie v mnoha hybridních a elektrických vozidlech. Vezmeme-li v úvahu měrnou hmotnost těchto baterií, je zřejmé, ţe jsou lepší, neţ dosud pouţívané Ni-MH články. Přestoţe optimální teplotní rozsah závisí na chemickém sloţení, je toto sloţení u různých výrobců odlišné. Jako obecné pravidlo platí, ţe je nutné se při skladování vyhnout teplotám nad 60 oC a nad 40 oC během provozu. Při zimních teplotách pod -5 oC se projeví značné sníţení potenciálu nabíjení a vybíjení. Provoz mimo tento teplotní rozsah zkracuje ţivotnost baterií díky nevratnému poškození. Je proto třeba se tomuto vyhnout. V hybridních vozidlech by to vedlo k omezenému toku elektrické energie a tím sníţení výkonu, zatímco u elektrických vozidel můţe dokonce vést ke zhroucení, pokud by tyto teploty byly překročeny v určitém dlouhodobém intervalu. Tepelné řízení baterie tak zajišťuje bezpečný provoz vozidla a sniţuje ztrátové hodnoty těchto drahých baterií a to zejména v případě velkých baterií v hybridních i elektrických vozidlech. Na 95 % míra účinnosti moderních Li-ion článků je velmi vysoká. Nicméně míra vyprodukovaného tepla, které vyplývá z vnitřního odporu baterií při zrychlování a brzdění, je faktor, který nelze ignorovat. Zvláště v létě je ovzduší nevhodné pro chlazení Li-ion baterií, rozdíl mezi teplotou okolního vzduchu a maximální přípustnou teplotou baterie je velmi malý pro rozptýlení tepla do okolí. V současné době se pouţívají tři způsoby chlazení. [2] 3.2.2 Chlazení vzduchem Je to chlazení s přívodem vzduchu přes velké potrubí přímo k bateriím. Jakmile se vzduch zahřeje v průběhu průchodu přes baterii, je často odváděn přímo do venkovní atmosféry. V podstatě existuje několik nevýhod s touto metodou chlazení. Patří mezi ně velké vzduchové potrubní systémy, hmotnost ventilátorů a v některých případech nepříjemné zvuky, které se přenášejí do prostoru pro cestující. Aby se zabránilo vniknutí škodlivých výparů z baterie do interiéru vozidla, musí být vzduch filtrován. Naproti tomu kompaktní klimatizační jednotka pro baterii je zapnutá paralelně s klimatizační jednotkou v kabině. Je to podobný systém, jako zadní klimatizace u luxusních vozů. Tato metoda zvyšuje celkovou hmotnost, ale zajišťuje dostatečnou energii. Výhoda tohoto řešení je také v tom, ţe baterie je chlazená v cirkulačním okruhu, coţ odstraňuje potřebu filtrace. Vzduchové chlazení pro baterie se pouţívá 14
především ve vozidlech s dostatečným prostorem pro instalaci. Například sportovní vozy (SUV). [2]
Obr. 3: Schéma chlazení vzduchem [2] 3.2.3 Chlazení s chladivem Je
nejkompaktnější
způsob
chlazení
baterií.
Kompaktní
výparník
je
nakonfigurován uvnitř baterie jako chladicí deska vedle článků Li-ion. Chladicí potrubí musí být nastaveno a uspořádáno tak, aby bylo zajištěno, ţe vypařování chladiva je k dispozici všude a nepřetrţitě, aby se dosáhlo poţadované teplotní homogenity. Pouze dvě chladicí potrubí jsou nezbytná pro připojení baterie s chladicí deskou na chladicí okruh. Na jedné straně je tlakové potrubí k baterii a na druhé straně sací potrubí z baterie zpět do kompresoru. Měrná hustota baterie se sniţuje jen velmi mírně. Kaţdý typ baterie má odlišné poţadavky na chlazení, takţe je zapotřebí zvláštní koordinace celého obvodu. Při pouţití elektrického kompresoru s proměnlivou rychlostí je proces koordinace jednodušší ve srovnání s konvenčními řemenovými kompresory. Ochlazování baterie vyţaduje vţdy pouţití chladicích kompresorů. Ale spotřeba energie v porovnání s klimatizací v prostoru řidiče je velmi nízká. Tento systém se obvykle pouţívá ve vozidlech, která vyţadují chladicí systém, kde další kompresor nemá negativní vliv na celkovou efektivitu. Vzhledem k tomu, ţe chladicí okruh můţe
15
fungovat pouze při teplotách aţ kolem -5 oC , chlazení baterií je omezeno, nicméně v praktických aplikacích to můţe být tolerováno. [2]
Obr. 4: Schéma chlazení s chladivem [2] 3.2.4 Chlazení kapalinou Chlazení baterie chladicí kapalinou je nejvíce flexibilní metodou. Současně je také velmi energeticky efektivní. Tento systém je vybaven také chladicí deskou, v tomto případě chladicí kapalina je voda/glysantine. Pečlivě navrţený systém potrubí zajišťuje nejvyšší moţnou teplotní homogenita celé desky. Teplota v sekundárním okruhu závisí na provozní strategii a na vlastnosti baterie, a pohybuje se v rozmezí 15 – 30 oC. Pro uzavřený chladicí okruh je velmi kompaktní tepelný výměník, známý jako chladič, který spojuje chladicí okruh se sekundární smyčkou. Chladivo se odpařuje v tomto chladiči. Vysoká výkonnost a malý rozměr chladiče BHR umoţní umístění v malém prostoru. Energetická účinnost baterie chladicího systému hraje klíčovou roli v hybridních a elektrických automobilech. Přepínací ventil umoţňuje vyuţít chladiče v létě, kdy jsou vysoké teploty. Nevýhodou je, ţe tento systém zabírá poměrně velký prostor mimo akumulátor, kde je chladič, čerpadlo a potrubí. [2]
16
Obr. 5: Schéma chlazení s kapalinou [2] 3.2.5 Baterie a vytápění Baterie potřebují také vytápění, stejně jako chlazení. To je způsobeno tím, ţe při nízkých teplotách se Li-ion bateriím váţně sniţuje výkon v průběhu nabíjení a mohou být i váţně poškozeny. Chladicí kapalina můţe být ohřívána přímo, pokud je pouţíván sekundární okruh, obrátí se tepelný tok. Dostupné zdroje tepla jsou elektrická topná zařízení, nebo topení v hybridních vozidlech. Teplo z motoru je vedeno přes výměník tepla. Nevýhodou je dlouhé vedení tepla (z přední do zadní části vozu), proto ztráty musí být minimalizovány dobrou izolací. Je tedy praktičtější dodávat teplo na bliţší vzdálenost. Toho můţeme dosáhnout tím, ţe napojíme elektrické vytápění přímo k baterii, tím se sníţí tepelné ztráty. [2]
17
Obr. 6: Schéma vytápění baterie [2]
4 TECHNOLOGIE HYBRIDNÍCH VOZIDEL 4.1 Paralelní hybridní systém VW Tuareg Tuareg hybridní automobil je poháněn novým V6 TSI s přímým vstřikováním paliva a elektrickým motorem. Motor je známý u Audi S4. Je vybaven nově vyvinutou osmistupňovou automatickou převodovkou. Průměrná spotřeba paliva hybridní verze Tuareg je niţší neţ 9,0 l /100 km a emise CO2 jsou méně neţ 210 g/km. Coţ znamená, ţe plní emisní normy v Evropě. Spalovací motor, elektromotor a osmistupňová automatická převodovka jsou umístěny na hřídeli. Ve srovnání s konvenčním SUV stejné velikosti, nabízí tento model sníţení spotřeby o 25 % paliva při jízdě ve městě. Řídicí jednotka motoru komunikuje prostřednictvím linky sítě bus s jednotkami, jako jsou automatická převodovka, baterie, elektrický motor. To také přenáší energii mezi elektromotorem a bateriemi. Pouţití DC/DC (stejnosměrný proud), 12 V, stav nabití baterie (kapacita 6 Ah). Systém řízení automaticky vybere ideální provozní podmínky ve všech moţných situacích. [3]
4.1.1 Technologie VW hybrid V6 TSI nabízí 245 kW při 5500 min-1. To je stejné mnoţství, jako u osmiválcového motoru, ale s mnohem vyšší palivovou účinností. Třílitrový motor má 18
maximální točivý moment 440 Nm jiţ od 3000 min-1. Elektromotor, nainstalovaný mezi motorem a automatickou převodovkou, poskytuje maximální výkon 38 kW. Kdyţ spolu tyto dvě jednotky fungují, dosáhnou maximálního výkonu 275 kW a maximálního točivého momentu 550 Nm. K dispozici jsou čtyři prvky, které umoţňují Volkswagenu dosáhnout sníţení spotřeby paliva. Start-stop systém, rekuperační brzdění, elektromotor a coast systém. Vozidlo můţe pracovat na elektromotor pouze při rychlosti aţ 50 kmh-1. Existují dva provozní reţimy. Klasická jízda se spalovacím motorem a posilovací reţim. Při pouţití pouze spalovacího motoru se řídí jako tradiční vůz, elektromotor vykonává funkci konvenčního alternátoru 12 V, který dodává dostatek energie pro elektrický systém vozidla a dobíjení baterie. Jinak motor dodává energii potřebnou k pohonu vozidla plus energii, potřebnou k nabíjení vysokonapěťové baterie přes elektrický motor. Kdyţ elektrický motor pohání vozidlo a nepůsobí jako alternátor, tento tak zvaný bod řazení umoţňuje pracovat efektivněji v různých reţimech motoru. NIKL-metal-hydridové (NiMH) baterie se nachází v podlaze nákladového prostoru, který byl zvýšen o 50 mm. Baterie váţí 67 kg, skládají se celkem z 240 jednotlivých článků a vytváří napětí 288 V. Celková hmotnost narostla přibliţně o 175 kg. Jedná se o hmotnost hybridní komponenty, diferenciálu Torsen, který nahrazuje uzamykatelný centrální diferenciál a dvourychlostní rozsah převodovky. [3]
4.1.2 Blue Motion Modely Passat Passat Blue Motion TDI 81 kW – spotřeba 4,9 l/100 km. Emise CO2 - 128 g/km. Vůz je vybaven systémem start-stop, splňuje emisní normy Euro 5. Dieselový motor v modelu Passat Blue TDI splňuje normy EURO 6. Selektivní katalycká redukce sniţuje obsah oxidu dusíku na úroveň niţší, neţ 80 mg/km, spotřeba paliva se standardní šestirychlostní převodovkou je 5,2 l/100 km při emisích CO2 137 g/km. Passat TSI Eco Fuel, podpořen kompresorem a turbodmychadlem, je poháněn zemním plynem, dodává výkon 110 kW s emisemi CO2 119 g/km. Je vybaven sedmirychlostní převodovkou a pouţívá 4,4 kg zemního plynu na 100 km. [3]
19
Obr. 7: Koncepce hybridního automobilu [3]
4.2 Toyota hybridní systém Hybridní systém kombinuje různé zdroje energie. Benzin/elektrický hybridní systém například kombinuje spalovací motor s vysokootáčkovým elektrickým motorem, který nikdy nepotřebuje být zapojen do sítě. Existuje několik způsobů, jimiţ lze elektromotor
kombinovat
s plynem a
nebo
benzinem.
Toyota zdokonalila
sériové/paralelní zapojení a dodává energii na místa, na která je energie určena. Neustále kontroluje tok mechanické energie a elektrické energie pro bezpečnou a pohodlnou jízdu vozidlem. Toyota je unikátní hybridní systém kombinující elektromotor a benzinový motor co nejefektivnějším způsobem. To šetří pohonné hmoty a sniţuje emise a zároveň poskytuje dostatečný výkon. [4]
20
Obr. 8: Koncepce hybridního automobilu Toyota [4] 4.2.1 Sériový hybridní systém Záţehový motor otáčí generátor. Vyrobená elektrická energie se přivádí do elektromotoru, který pohání kola. Energie obíhá v sérii, jinými slovy, síla je ze záţehového motoru do elektromotoru zapojena do série.[4]
Obr. 9: Schéma zapojení hybridního systému do série [4]
21
4.2.2 Paralelní hybridní systém Kola jsou poháněna benzinovým motorem a elektromotorem. Napájecí zdroj je vybrán podle jízdních podmínek. Jméno systému pochází ze skutečnosti, ţe zdroje energie probíhají paralelně. Benzinový motor je primární zdroj energie, elektromotor slouţí k doplnění energie při zrychlení. Nicméně, elektrický motor nelze pouţít k pohonu automobilů, zatím pracuje jen pro výrobu elektřiny. [4]
Obr. 10: Schéma zapojení hybridního systému paralelně [4] 4.2.3 Sériový/paralelní hybridní systém Sériový paralelní hybridní systém je moţné řídit pomocí duálního zdroje energie. Auto pohání elektrický motor, nebo pomáhá záţehový, nebo plynový motor v závislosti na jízdních podmínkách. Vzhledem k tomu, ţe generátor je integrován do systému, můţe nabíjet baterie. Mezi základní komponenty systému jsou elektromotory, záţehový motor, generátor a řídicí jednotky. Část zařízení přenáší energii vyrobenou benzinovým motorem k pohonu kol a zbytek do generátoru, který poskytuje elektrickou energii pro elektrické motory nebo pro dobití baterie. Tento systém vyuţívá energeticky efektivní elektromotory kdyţ
auto běţí v nízkém rozsahu otáček, a kdyţ je potřeba vyšší
rychlosti, zapojí se benzinový motor. Jinými slovy, systém je kontrolován z dvojích zdrojů energie pro energeticky optimální efektivní provoz za všech jízdních podmínek. [4]
22
Obr. 11: Schéma zapojení hybridního systému do série/paralelně [4]
4.3 Hlavní části hybridních vozidel Toyota 4.3.1 Baterie Světově špičkové baterie mají nejlepší vstupní a výstupní parametry v poměru k hmotnosti. Baterie se pouţívají niklmetal-hydridové (Ni-MH) pro vysoký výstupní výkon (výkon ve vztahu k hmotnosti). Chladicí systém pro baterie včetně chladicího potrubí je vyráběn na určité rozměry a komponenty, jako systém hlavního relé, jsou určeny pro sníţení velikosti a hmotnosti. Kromě toho systém udrţuje stav baterie na konstantní úrovni po celou dobu provozního reţimu. Hybridní baterie mají omezenou ţivotnost. Ţivotnost hybridní baterie se můţe měnit se stylem jízdy a jízdními podmínkami. [4]
Obr. 12: Ni-MH baterie [4] 23
4.3.2 Spalovací motor Plyn/benzinový motor pouţívaný v Toyota produkuje vyšší výkon neţ u běţných motorů. Nový Prius 1.8 L nahrazuje dřívější 1.5 l. Má větší točivý moment a dále změnu v převodových poměrech. Další zlepšení bylo dosaţeno prostřednictvím následujících
mechanizmů.
Čerpadlo
chladicí
kapaliny
je
nyní
poháněno
elektromotorem, tím pádem nám odpadá hnací řemen a sniţují se mechanické ztráty a průtok chladicí kapaliny je řízen proporcionálně. Odpadní teplo systém recirkulace vyuţívá odpadního tepla z výfukových plynů, coţ umoţňuje rychlejší ohřev motoru při zahřívání a sníţení škodlivin v ovzduší. Objemový průtok výfukového plynu je řízen elektrickým EGR ventilem a je směřován do sacího potrubí a tím zmírní tlak v motoru. [4]
Maximální výstupní výkon: 73kW (99PS) / 5200 min-1 Maximální točivý moment: 142Nm / 4000 min-1 Obr. 13: Benzínový spalovací motor modifikovaný pro hybridní vozidlo [4] 4.3.3 Elektrický motor Synchronní A/C motor má malou hmotnost a vysokou účinnost. Můţe efektivně vytvářet silný točivý moment aţ do vysokých otáček. Třífázový A/C má snadnou kontrolu úhlu v magnetickém poli a rotorů magnetu. Permanentní magnety rotorů jsou situovány do V-konfigurace. [4]
24
Max. výkon: 60 kW (82PS) Max. točivý moment: 207 Nm Obr. 14: Elektrický synchronní motor [4]
4.3.4 Planetová převodovka Rozděluje nám točivý moment z hnacího ústrojí spalovacího motoru do generátoru. Pro efektivní rozdělení momentu se pouţívá planetová převodovka, která se skládá z ozubeného věnce satelitů a centrálního kola. [4]
Obr. 15: Planetová převodovka [4]
25
4.3.5 Rekuperační brzdění Opětovné vyuţití kinetické energie pomocí elektromotorů k regeneraci elektřiny. Vnější síly otáčejí elektrickým motorem, který slouţí jako generátor a vyrábí elektřinu. Rotační síla hnací nápravy se obrátí na elektrické motory a energie je skladována v bateriích a zároveň nám zpomaluje vůz regenerační odpor elektrických motorů. Systém koordinuje regenerativní brzdění a konvenční hydraulické brzdy tak, ţe kinetická energie, která je běţně nepotřebná, jako třecí teplo brzdění, můţe být shromaţďována pro pozdější pouţití v běţném jízdním reţimu. Typická jízda v městském provozu znamená zrychlení, následuje zpomalení a vyuţití těchto podmínek jízdy můţe být poměrně vysoké. Pro příklad Toyota Prius ušetří jeden litr paliva na 100 km městského provozu. [4]
Obr. 16: Vyuţití energie při brzdění [4] 4.3.6 Generátor Vysokorychlostní otáčení pro maximální výkon. Toyota pouţívá synchronní generátor
střídavého proudu, který je schopný vysoké rychlosti rotace, protoţe
generátor je spuštěn aţ ve středním rozsahu otáček. [4]
26
Obr. 17: Vysoko-rychlostní generátor [4] 4.3.7 Kontrolní řídicí jednotky Toyota hybridní technologie je vybavena řídicí jednotkou, která se skládá z měniče, posilovače napětí a transformátoru DC/DC. Měnič převádí stejnosměrné napětí z baterie na střídavé pro otáčení elektromotoru a pro pouţívání generátoru. A naopak přemění střídavé napětí elektromotoru a generátoru na stejnosměrné napětí pro dobití baterie. Přímé chlazení přístroje zlepší účinnost a zmenší hmotnost celé jednotky. Posilovač napětí zvyšuje normální napětí 201,6 V stejnosměrného napětí do maximální výše 650 V pro napájení elektromotorů a generátorů dle potřeby. To znamená, ţe více energie můţe být generováno za malých proudů, aby vysoký výkon z vysokých výkonů motoru zvýšil celkovou účinnost systému. Transformátor DC/DC – mění stejnosměrné napětí 201,6 V na 12 V stejnosměrného napětí. Toto napětí je vyuţíváno pro napájení elektronického zařízení v automobilu. [4]
27
Obr. 18: Kontrolní řídící jednotka ovládající hybridní systém [4]
4.3.8 Redukční převodovka Zesílí točivý moment od elektromotoru. Je navrţena tak, aby sníţila vysoké otáčky předních elektrických motorů, aby vyrobená energie byla převedena na kola. Zesílení točivého momentu v předních elektrických motorech poskytuje bezproblémové zrychlení. [4]
Obr. 19: Redukční převodovka pro elektromotor [4]
4.4 Toyota elektrické hybridní vozidlo Vyuţívá hybridní technologie vyvinuté v průběhu mnoha let. Toyota zvýšila kapacitu sekundární baterie a prodlouţila dojezd na 24,3 km. Kromě sníţení emisí CO2 a spotřeby benzinu, nabízí i celkový ekonomický přínos. Dalších úspor zle dosáhnout v zemích, které nebízejí zvýhodněné sazby elektrické energie při nabíjení v noci. Kromě toho se dá vyuţít i solární energie, která radikálně sníţí obsah emisí CO2. [4] 28
Obr. 20: Koncepce hybridního automobilu (palivo/ konvenční elektrická energie) [4] 4.4.1 Technologie pouţívané v elektrických hybridních vozech Sekundární baterie je schopna uchovávat a vybíjet elektrickou energii. Energie je regenerována motorem během zpomalení a je uloţena v sekundární baterii. Elektrické (Plug-in) hybridní vozy jsou vybaveny Lithium-ion bateriemi, které mají mnohem větší kapacitu neţ běţné akumulátory nikl-metal-hydrid. Pouţíváním externí nabíječky je baterie schopna nabít více elektřiny z domácí elektrické zásuvky. [4]
Obr. 21: Sekundární baterie [4] 4.4.2 Elektrický motor Střídavý synchronní motor a stejnosměrný motor s vysokou účinností je pouţíván v elektrických vozidlech. Vysoký výkon motoru je moţný díky neodymovým magnetům v kombinaci s rotorem vyrobeným z elektromagnetického plechu. Kromě toho jsou magnety zarovnané do tvaru V pro optimální konfiguraci a pro maximální točivý moment a výkon. Vysoké napájecí napětí také umoţní velký přísun elektrické
29
energie. Všechna tato vylepšení vyústila ve vytvoření elektrického motoru s nejvyšší sílou. Max. výkon: 60 kW (82 PS) Max. točivý moment: 207 Nm 4.4.3 Elektrická řídicí jednotka Skládá se z měniče, který přivádí stejnosměrné napětí do elektrického motoru a transformátoru, který zvyšuje napětí aţ na 650 V. Jednotka byla upravena v souladu s lepším jmenovitým napětím baterie. [4] 4.4.4 Nabíjení baterie pomocí cizího zdroje Hybridní vozy jsou vybaveny nabíječkami, které umoţňují nabít baterii z domácí elektrické zásuvky. Doba nabíjení je přibliţně 100 minut při 220 V střídavého proudu. [4]
Obr. 22: Nabíjení baterie [4]
30
4.5 Jízdní reţimy hybridních vozidel 4.5.1 Rozjezd Vyuţívá minimální rychlosti elektrických motorů a malého točivého momentu při startu. Kdyţ se auto začíná rozjíţdět, Toyota pouţívá pouze elektrické motory poháněné z baterií, zatímco benzinový motor je vypnutý, protoţe nemůţe produkovat vysoký točivý moment v nízkých otáčkách, přičemţ elektrické motory mohou přenášet velmi citlivě točivý moment. [4]
Obr. 23: Schéma rozdělení energie v závislosti na provozních podmínkách (rozjezd) [4] 4.5.2 Pomalá rychlost Benzinový motor není energeticky účinný v nízkém rozsahu otáček. Na druhou stranu elektrické motory jsou energeticky úsporné v tomto rozsahu otáček. Proto Toyota vyuţívá elektrické energie uloţené v baterii a spustí auto na elektrické motory v nízkém rozsahu otáček. Pokud úroveň nabití baterie je nízká, benzinový motor otáčí generátorem pro napájení elektrických motorů. [4]
31
Obr. 24: Schéma rozdělení energie v závislosti na provozních podmínkách (pomalá rychlost) [4]
4.5.3 Cestování Je energeticky efektivní řízení s vyuţitím benzinového motoru jako hlavní zdroj energie. Toyota pouţívá benzinový motor, který slouţí přímo k pohonu kol a v závislosti na jízdních podmínkách je část energie distribuována do generátoru. Energie vyrobená v generátoru se pouţívá k zásobování energie k elektromotoru a doplňuje jej benzinový motor. Vyuţitím dvojí energie ze spalovacího motoru a elektromotoru pracuje benzinový motor s minimálními ztrátami. Pokud úroveň nabití baterie je nízká, výkon spalovacího motoru se zvýší o mnoţství energie potřebné pro dobití baterie. [4]
32
Obr. 25: Schéma rozdělení energie v závislosti na provozních podmínkách (cestování) [4] 4.5.4 Cestování/nabíjení Je to dobíjení baterie s přebytkem energie. Vzhledem k tomu, ţe benzinový motor pracuje s vysokou účinností v celém rozsahu, produkuje více energie, neţ která je potřeba pro řízení automobilu. V tomto případě je přebytek energie přeměněn generátorem na elektrickou energii, která je uloţena v baterii. [4]
Obr. 26: Schéma rozdělení energie v závislosti na provozních podmínkách (cestování/nabíjení) [4] 33
4.5.5 Plné zrychlování Kdyţ je potřeba silná akcelerace (např. pro jízdu do příkrých svahů nebo při předjíţdění), je dodávána elektrická energie z baterie do elektrických motorů pro navýšení hnací síly. Spojením energie spalovacího motoru a elektrického motoru dosáhne vyššího výkonu, neţ vozidla ve stejné třídě. [4]
Obr. 27: Schéma rozdělení energie v závislosti na provozních podmínkách (plné zrychlování) [4] 4.5.6 Zpomalení/regenerace energie Skladování energie během regeneračního brzdění do baterií. Při brzdění Toyota vyuţívá kinetické energie vozidla z kol, které otáčí elektromotory, ty fungují jako regenerátory energie, která je jinak obvykle ztracena jako teplo třením v rámci zpomalení. Tato kinetická energie je přeměněna na elektrickou energii, která je vrácena zpět do baterie a energie se pouţívá později. [4]
34
Obr. 28: Schéma rozdělení energie v závislosti na provozních podmínkách (zpomalení/regenerace) [4] 4.5.7 Zastavení Vypnutím celého hnacího ústrojí (spalovacího motoru, elektromotorů a generátoru) se auto zastaví. Ţádnou energií se neplýtvá na volnoběh. Pokud úroveň nabití baterie je nízká, benzinový motor stále běţí a nabíjí ji. V některých případech se benzinový motor zapne ve spojení s klimatizací. [4]
Obr. 29: Schéma rozdělení energie v závislosti na provozních podmínkách (zastavení) [4] 35
4.6 Hyundai Sonata plně hybridní elektrické vozidlo Hyundai Sonata se představil jako první ve své řadě s plně hybridním vozidlem na světovém trhu.
Vyuţívá nové technologie s názvem „Direct Hybrid Blue Drive“
s elektrickým pohonem. Je zde pouţito paralelní zapojení s Lithium-polymer baterií.
4.6.1 Hybridizace Energetická krize a rostoucí ceny plynu vedou k rostoucí popularitě hybridních vozidel. Nyní je jen ve Spojených státech amerických registrováno 1,6 miliónů hybridních vozidel . V roce 2009 se Hyundai představil s vozidlem Elantra LPI. Je plně srovnatelný s benzinovými motory a na jednu nádrţ LPG najezdí zhruba 80 % km. LPG má výhodu oproti benzinu z hlediska emisí, ale Elantra LPI má nevýhodu, ţe nemůţe být řízena elektromotorem, protoţe spalovací motor nedisponuje dostatečným výkonem k pohonu vozidla. Hyundai jako první hybrid vyuţívá nové přímé technologie „Direct Hybrid Blue Drive“ Pohon obstarává elektrický motor s paralelním zapojením a Lithium-polymer baterií. Hybridní systém má benzinový motor a šestistupňovou automatickou převodovku bez měniče točivého momentu. Třicetikilowatový elektrický motor pohání Li-polymer baterie, hybridní startér a spojka. Tato konfigurace systému nevyţaduje vysoký výkon elektromotoru a generátoru. K pohonu se pouţívá uspořádání, kde je motor oddělen od převodových stupňů. To má několik výhod oproti těţce integrovamým systémům. Kromě toho poskytuje flexibilitu pro přizpůsobení různým aplikacím, jako jsou lepší účinnost paliva na dálnici. [5]
4.6.2 Motor I kdyţ průměrné spotřeby paliva u hybridních elektrických vozidel do značné míry závisí na skladbě systému, tak i motor sám hraje důleţitou roli při dosahování optimální spotřeby. Hybridní motor má trochu odlišnou skladbu, neţ jeho benzinový předchůdce. Byly provedeny výrazné změny ke zlepšení účinnosti paliva. Motor Sonata Hybrid má účinný cyklus známý jako Atkinson k dosaţení nízké spotřeby paliva při provozování hybridních elektrických vozidel. Také ke zvýšení tepelné účinnosti kompresní poměr vzrostl z 10,5 na 13,0. Pro
zvýšení mechanické účinnosti byly
sníţeny ventilové pruţiny. Pro sníţení tření bylo provedeno nanesení DLC (diamant jako uhlík). Tento povlak je nanesen na pístní krouţky, písty a pístní čepy. Kromě toho
36
bylo vylepšené časování motoru a lepší chladicí systém. V důsledku toho vozidlo dosahuje o 11 % lepší spotřebu paliva neţ u motoru MPI. [5]
Obr. 30: Spalovací motor Hyundai Sonata pro hybridní vozidlo [5]
Obr. 31: Charakteristika motoru [5] 4.6.3 Převodovka Šestistupňová automatická převodovka má torzní tlumiče, spojku, ozubené soukolí, ventily a elektrické olejové čerpadlo. Torzní tlumič je připojen k motoru na straně spojky, aby zvládl pohlcovat vibrace motoru. Mokrá spojka slouţí k rozjezdu na
37
volnoběh a na elektrický pohon.. Toto uspořádání umoţňuje, aby celek spolu s torzními tlumiči se vešel do stejného objemu jako tradiční měnič točivého momentu. Točivý moment je 265 Nm, převodové poměry jsou v rozmezí 4,212 aţ do 0,772. Jsou dva druhy olejového čerpadla, které dodávají kapalinu do tělesa ventilu. Mechanický typ olejového čerpadla je instalován uvnitř převodovky a elektrický typ čerpadla je umístěn vně převodovky. Funguje pouze tehdy, pokud mechanické olejové čerpadlo nemůţe poskytnout dostatek kapaliny do hydraulického systému. [5]
Obr. 32: Automatická převodovka přizpůsobená elektromotoru [5]
4.6.4 Elektromotor Hlavní elektromotor se skládá z permanentních magnetů se synchronním motorem instalovaným mezi spalovacím motorem a převodovkou . Obsahuje snímač polohy, z něhoţ motorová jednotka obdrţí data polohy motoru rotoru. Jeho maximální výkon je 30 kW (205 Nm), motor má nejvyšší účinnost 95 % . Motor sdílí chlazení spolu se spalovacím motorem a převodovkou. [5]
38
Obr. 33: Celek hnacího ústrojí (startér, spalovací motor, elektrický motor, převodovka) [5]
4.6.5 Hybrid startér Jde o válcový typ připojený k jedné straně motoru, poháněný dráţkovaným řemenem. Poměr mezi klapkami je asi 2,5. To znamená, ţe pracuje s 2500 min-1, kdy motor běţí na 1000 min-1. Vzhledem k maximálním otáčkám spalovacího motoru jsou maximální otáčky startéru 16000 min-1. Maximální výkon je 8,5 kW s maximální účinností 95 % , stejně jako má hlavní elektrický motor. Startér má jiný systém chlazení od hlavního motoru. Pouţívá vodní chlazení s elektrickým čerpadlem. Elektrické čerpadlo je poháněno z 12 V akumulátoru. [5] 4.6.6 Řídicí jednotka hybridního systému Hlavní elektrický motor, startér a měnič DC/DC má kaţdý svoji vlastní řídicí jednotku a tyto jednotky jsou sloučeny do jedné, která se nazývá hybridní řídicí jednotka. Ta přispívá ke sníţení nákladů a k celkové efektivnosti hybridního systému. DC-link kondenzátor Bus, jednotku snímače proudu, systémy polovodičů a chladiče ovládá pro dva motory 32-bitový procesor. Tranzistory 650 V/400 A a 650 V/200 A jsou vybrány jako výkonové polovodiče pro hlavní a vedlejší motor. V konvenčních vozidlech je alternátor přimontován k motoru a dodává nutnou energii na podporu elektrického zařízení vozidla. V hybridních vozidlech DC/DC měnič nahrazuje konvenční alternátor a zlepší spotřebu paliva. Jeho jmenovitý výkon je 1,8 kW. Převodník má vodou chlazený chladič a MOSFET se skládá z polovodičových součástek. Výstupní napětí se pohybuje kolem 12 – 14 V v závislosti na jízdních podmínkách, jako je zrychlení, rekuperační brzdění, stav motoru a elektrického zařízení. Proměnné výstupní napětí ovládá DC/DC převodník, který zlepšuje spotřebu paliva a 39
zvyšuje ţivotnost baterie. Hybridní řídicí jednotka je jako dozorčí kontrolor. S vyuţitím informací z vozidla, řidiče, motoru, elektroniky a baterie určuje provozní podmínky motoru a převodovky a tyto signály jsou jim posílány. Dynamický výkon, jízdní vlastnosti a spotřeba paliva závisí nejen na kontrole jednotlivých komponentů, ale také na kooperativní kontrole hybridního vozidla. Přechodný moment koordinace elektrického a spalovacího motoru ovlivňují také dynamické charakteristiky automobilu. Kooperativní řízení mezi převodovkou, motorem a spojkou můţe posunout kvalitu o něco dál. Pro úsporu paliva, aniţ by došlo ke zhoršení brzdného účinku, by měl elektromotor spolupracovat s mechanickými (hydraulickými) brzdami pro regenerativní brzdění. [5]
4.6.7 Baterie Li-Polymer baterie se pouţívají pro hybrid Sonata systém. Baterie mají vlastní řízený regulátor, relé a chladicí systém. Pracují při jmenovitém napětí 270 V, kapacita a výkon je 5,3 Ah a 34 kW. Základní funkcí baterie je chemická forma energie, získaná z motoru, nebo při regeneračním brzdění a je ukládána dle potřeby. Musí řídit vstupní a výstupní data, v závislosti na nabití a vybití. Pro kontrolu a bezpečnost je kontrolována teplota uvnitř baterie a musí být v povoleném rozsahu, nebo by došlo k výbuchu. Ve srovnání s NiMH baterií pro hybridy má Li-Pol baterie Sonata lepší výkon a hustotu energie při různé hmotnosti a objemu, rychlosti samovybíjení, ţivotních cyklech a průběhu počasí. [5] 4.6.8 Aktivní vzduchová klapka I kdyţ hybrid Sonata nebyl speciálně určen pro hybridní verzi, má i tak velmi nízký součinitel odporu Cd = 0,25, a to díky lepším aerodynamickým vlastnostem. Sníţení odporu vzduchu je ten správný způsob, jak zlepšit spotřebu paliva a to zejména na dálnici. Aktivní klapka hraje důleţitou roli v aerodynamickém vylepšení. Má dva druhy funkcí. Jeden je zlepšit aerodynamické vlastnosti a další je sníţit dobu času při zahřívání motoru při chladném počasí. Klapka se nachází v přední části vozu, je ovládána elektronicky a otvírá a zavírá se dle jízdních reţimů. To přispívá ke 4 % zlepšení aerodynamických vlastností, coţ vede ke 2 % zlepšení účinnosti paliva. [5]
40
Obr. 34: Aktivní vzduchová klapka [5] 4.6.9 Přístrojová deska Nabízí dva reţimy průvodce Eco a Eco Level. Tyto systémy pomáhají řidiči chovat se šetrně k ţivotnímu prostředí. Eco je zkratka pro úsporné a ekologicky šetrné chování k ţivotnímu prostředí. Eco měření zobrazuje analýzu efektivity energetického systému, jízdních podmínek a reţimů k dosaţení optimální Eco jízdy. Dalším systémem je „virtual engine sound systém“. Tento tichý reţim jízdy nabízí atraktivní záţitek pro řidiče, ale mohlo by to vést k nebezpečné situaci pro ostatní řidiče a chodce. Virtuální zvuk motoru je technologie pro ochranu chodců a ostatních účastníků silničního provozu. Tento systém se zapíná v závislosti na rychlosti vozu a vzdálenosti od jednotlivých cílů (např. před přechodem pro chodce vydá ze třech reproduktorů, nacházejících se pod kapotou, zvuk motoru. Tento zvuk lze zapnout i řidičem samotným. Hybrid Hyundai Sonata vyuţívá nové technologie „Blue Drive „ s paralelní hybridní konfigurací a lithium polymerovou baterii. Ţádný jiný hybridní vůz nevyuţívá šestistupňovou automatickou převodovku bez měniče točivého momentu. Šestistupňová automatická převodovka umoţňuje snadnější řízení, neţ konvenční převodovky. Přístrojová deska poskytuje významné funkce Eco - řízení dat a virtuální zvuk motoru. [5]
41
4.7 Podvozky hybridních vozidel Vzhledem ke zvýšené spotřebě stále draţšího plynu, se počet hybridních – elektrických vozidel za posledních několik let prudce zvýšil. Hybridní technologie je povaţována za důleţitý krok směrem k udrţitelnému vyuţívání automobilů. Pozornost je zaměřena většinou na hnací sílu, která se dotýká hlavně motoru, převodovky a skladování energie. Podvozkový systém vozu je často ovlivněn hnací koncepcí a je třeba pečlivě zváţit bezpečnost a pohodlí, které se můţe významně měnit ve srovnání s běţným vozidlem. Brzdy a řízení musí být také začleněno do hybridní koncepce a správně plnit funkci elektrického řízení vozidla, nebo rekuperačního brzdění. Pohotovostní hmotnost 1200 kg se pouţívá prakticky pro všechny hybridy, které se dnes vyrábí. Nejpodstatnější změnou pro podvozky je rekuperační brzdění, které musí být uloţeno do běţných brzdových systémů. Řidič si nevšimne ţádného rozdílu, zda rekuperační brzdění je aplikováno, nebo ne, protoţe není ţádný pevný vztah mezi brzdovým pedálem a třecími brzdami. V tomto případě brzdy musí zajistit, aby celkový brzdný moment plus rekuperační brzdění se rovnalo vstupu řidiče. Pohonné ústrojí se stává sloţitější s dalšími elektrickými přístroji, se skladováním energie a hmotností, přidanou do vozidla. Zvýšení hmotnosti vozidla dopadá na bezpečnost a pohodlí posádky, jako je brzdný výkon a jízdní vlastnosti vozidla. Vyšší koncepce automobilu = vyšší neodpruţená hmota, vyšší valení má negativní dopad na bezpečnost a komfort. Přizpůsobení pneumatik, pruţin tlumiče, stabilizátoru v závislosti na zvýšení hmotnosti vozidla, můţe snadno zmírnit některé z těchto důsledků. Zvýšenou hmotnost však nelze nahradit. To je důvod, proč je koncepce hybridních vozidel ve srovnání s běţnými vozidly sloţitá. Jsou tři hlavní aspekty dynamiky vozidla, které je třeba brát v úvahu: bezpečnost, pohodlí a ovládání. [6] Bezpečnost – ovládání automobilu, brzdění, brzdicí síla, by neměla být ovlivněna interakcí hybridního systému. Řidič by si neměl všimnout ţádné změny v řízení nebo brzdných vlastnostech vozidla. Pohodlí – nemělo by být ovlivněno v důsledku hybridního systému. Ovládání – jako nejdůleţitější aspekty, které je nutno sledovat a vyhodnotit jejich vliv na dynamiku jízdy, je elektrický hnací motor, motor start/stop a rekuperační brzdění. Zejména posledně jmenované rekuperační brzdění je bezprecedentní v oblasti dynamiky vozidla.
42
Zdá se, ţe hybridní a „by-wire“ technologie se perfektně doplňují, protoţe jsou na bázi stejné, elektrické energie a shodně vyuţívají prospěch z elektrických systémů podvozku. Proto přínos z těchto dvou pokročilých technologií zvyšuje efektivitu hnacího ústrojí při zachování bezpečnosti vozidel na vysoké úrovni. [6]
Obr. 35: Prvky ovládající rekuperační energii [6]
5 HYBRIDNÍ SYSTÉM V MOTORISTICKÉM SPORTU Hybridní systémy se od letošního roku vracejí zpět do Formule 1 i do jiných kategorií motoristického sportu. U nových technických pravidel, které jsou dány v motoristickém sportu, je cílem podpořit „Zelenou přírodě“. V současné době se pouţívají elektrické systémy.
5.1 Co přináší hybridní systémy v motoristickém sportu Hybridní vozidla se zaměřením na sniţování emisí CO2 a sniţování spotřeby paliva, jakoţ i na podporu „zelené“ ochranné známky jsou na trhu jiţ více neţ deset let. 43
Důvodem pro pozdní výskyt hybridní technologie v motoristickém sportu byly technické předpisy. Závodní vozidla dominují vysokým výkonem motoru, nízkou hmotností, vysokým brzdným účinkem, aerodynamickým přítlakem a přilnavostí. Motor přenáší kinetickou energii vozidla na vyšší úroveň vzhledem k tomu, ţe stejná energie je přeměněna na teplo při brzdění. Brzdy Formule 1 vytvoří špičkový výkon více neţ 2000 kW. Energie zničená jedním brzděním z manévru 300 kmh-1 na 100 kmh-1 překračuje 2000 kJ a je nenávratně ztracena. Tuto energii je potřeba chladit a často se tím zvyšuje aerodynamický odpor a sniţuje přítlak. [7]
Obr. 36: Ukázka z telemetrie vozu F 3000 (systém KERS) [7] (Obr. 38) nám ukazuje rychlost vozu Formule 3000 v průběhu jednoho kola. V dolní části obrázku můţeme vidět maximální výkon, který lze dosáhnout při pouţití hybridního motoru. Ukazuje rychlé střídání mezi kladným zrychlením a zápornou rychlostí (brzdění). Teoretický přenos napájení na nápravu je aţ 1400 kW v obou směrech, v závislosti na hnacím ústrojí. Předpisy však umoţňují maximálně 60 kW. Kvůli předpisům, energie vznikající při brzdění, není uloţena a pouţívá se jen pro zrychlení, ačkoliv čas na kolo a spotřeba paliva je důleţitý aspekt při závodění. V motoristickém sportu je taková technologie velmi efektivní, neboť vozidla stále střídají vysokou rychlost a velké brzdění. To jsou ideální podmínky pro vyuţití energetického systému. Ale také skutečnost, ţe závodní vůz stráví zhruba 50 % na hranici svých fyzikálních rozměrů. Zatímco zrychlení je limitováno stanoveným 44
výkonem motoru, přilnavostí
pneumatik a přítlakem, zde můţeme nalézt limity
k pohonu při nízké rychlosti v oblasti skluzu pneumatik, pouze část spalovacích motorů můţe být pouţita v této oblasti. Nicméně by mohl být výkon motoru ještě pouţíván k nabíjení hybridních jednotek. V roce 2009 byla hybridní technologie KERS, která se pouţila ve Formuli 1 poprvé, slouţila k získávání energie jen z brzdění. Povolený výkon pro nabíjení a vybíjení byl 60 kW, uvolněná energie byla omezena na 400 kJ na jedno okruhové kolo. Simulace ukazuje význam KERS systému, jak bude výkon získávat v daném okamţiku na jedno okruhové kolo. [7]
Obr. 37: Diagram vyuţití energie systému KERS [7]
5.2 Mechanické systémy Nejstarší a nejpřirozenější forma ukládání energie je setrvačník. V důsledku toho můţe být také pouţit v motoristickém sportu. Moderní setrvačník pracuje ve velmi vysokých otáčkách 60 000 min-1 . Největší problémy při vývoji činily vysoké odstředivé síly, utěsnění ve vakuu a uloţení loţisek. Výkon tohoto konceptu je více neţ 400 kJ a bylo dosaţeno hmotnosti pouze 5 kg. Setrvačník je spojen s pohonným ústrojím a variabilní převodovkou Torotrak. Důleţitým hlediskem je rozloţení hmotnosti a nízký moment setrvačnosti. Nezanedbatelný je téţ design vozu. KERS systém má o 1 mm vyšší těţiště a o 1 % posunutou hmotnost vzad. [7]
45
5.3 Elektronické systémy Tento koncept vyuţívá pouze elektrické komponenty: elektrický motor/generátor, baterii, elektrickou jednotku a elektronický regulátor. Motor/generátor pro 60 kW má hmotnost asi 5 kg a musí být chlazen kapalinou. Hmotnost celého systému je asi okolo 20 aţ 25 kg v závislosti na typu a rozměru baterie. Elektrický systém má své výhody, pokud jde o rozloţení hmotnosti v důsledku pruţnějšího uspořádání konstrukčních částí do vozidla. Elektrický motor musí být připojen k hnacímu ústrojí, zbytek komponentů, jako jsou baterie a řídící jednotka, mohou být instalovány libovolně ve vozidle prostřednictvím elektrických vodičů. V motoristickém sportu je nyní nejdůleţitější výkon, dnes dosahuje hodnoty nad 6 kWkg -1 a hodnoty pro baterie jsou kolem 1,5 kWkg-1. Nejzákladnější kompromis je skladování elektrické energie v bateriích. Zvláště lithiové baterie jsou svými poţadavky vhodné pro toto řešení. Alternativní řešení pro skladování jsou kondenzátory „Super-Caps“ s výkonem nad 10 kWkg-1 , ale ony vytvářejí velké mnoţství tepla v důsledku vysokých proudů a proto potřebují intenzivní chlazení. Z těchto důvodů se v motoristickém sportu uţívají jen zřídka. Li-ion baterie reagují velmi citlivě na rychlé nabíjení v různých cyklech. Nabíjení musí být pečlivě sledováno, jinak články mohou být snadno zničeny. Proto jako preventivní opatření „top týmy“ měnily tyto baterie kaţdý závod. KERS systémy byly vyvinuty Magneti-Marelli a Bosch a klíčové komponenty, jako jsou baterie a elektrický motor, byly částečně navrţeny týmy. [7]
Obr. 38: Účinnost jednotlivých druhů baterií [7] 46
5.4 Elektro-mechanické systémy Dva jiţ zmiňované systémy mají své nevýhody, a proto se zrodila myšlenka na sloučení
pouze
pozitivních
aspektů.
Tento
nový
systém
se
skládá
z elektromotoru/generátoru, který je připojen k pohonu a elektronické regulaci. Akumulaci energie provádí setrvačník. Výhodou takového systému je vyšší ţivotnost. Při vývoji elektromechanických systémů následovaly dva směry. Jednou z moţností je skladování energie druhým motorem/generátorem podobně jako u mechanických systémů je setrvačník, který je nyní pouţíván na akceleraci a zpomalení druhého elektrického stroje. Druhý pracuje vţdy v opozici vůči spalovacímu motoru. [7] Myšlenka funguje takto: První je pouţíván jako generátor na spalovací motor a druhý se chová jako motor a urychluje setrvačnost. V případě, ţe stroj na spalovací motor působí jako elektrický motor, ten druhý se chová jako generátor a čerpá energii ze setrvačnosti. Systém je poměrně vyhovující, jedinou nevýhodou je instalace druhého elektrického stroje, který zvyšuje hmotnost. Druhé inovativní řešení je realizovat rotor druhého elektrického stroje, který pracuje na skladování energie. Základní myšlenka je podobná jako u pasivní setrvačnosti (vysoko-kompozitní kola ve vakuu). Inovací je vloţení magnetických částic do kompozitních materiálů a tak můţe být ovládán elektricky jako rotor.
5.5 KERS a pouţití ve Formuli 1 Od roku 2009, kdy začal být KERS pouţíván, trávily na něm špičkové týmy většinu času. Vzhledem k zákazu testování účinků, by mohly nové komponenty testovat pouze na pátečním závodu. Vylepšení času na kolo silně závisí na vlastnostech závodu, dovednostech pilota a jiné. Vlivy KERS zvyšují výšku těţiště, mění rozloţení hmotnosti, přítlak a ze všeho nejvíce zvyšují opotřebení pneumatik. V sezóně 2010 KERS nebyl pouţit ve Formuli 1 na základě dohody z týmů FOTA, za účelem udrţení nízkých nákladů. V roce 2011 je pouţívání KERS opět povoleno. Technické předpisy byly
změněny
tak,
aby
vozy
vybavené
KERS
systémy
zvýšily
svoji
konkurenceschopnost. Velikost předních pneumatik (šířka) byla sníţena o 2,74 cm, minimální hmotnost byla zvýšena na 640 kg na kompenzaci dodatečných KERS systémů. Rozloţení hmotnosti bylo stanoveno na 46 % a 54 %. Tímto způsobem lze lépe dosáhnout vyladění auta na různé podmínky na trati. [7] 47
5.6 Nejlepší strategie a výhled pro závod KERS můţe být pouţit pro různé cíle. Zajet si nejlepší čas v kvalifikaci a části závodu a získat nejlepší, nejvyšší rychlost, aby se dalo předjíţdět, nebo aby se zabránilo předjíţdění. Pro rok 2011 byly předpisy upraveny v několika kategoriích motoristického sportu s cílem dosáhnout vyššího vyuţití hybridních pohonů. Nicméně Formule 1 pro rok 2011 má ještě jedno omezení. Rekuperaci kinetické energie pouze při brzdění. Pokud by bylo umoţněno skladovat energii pomocí spalovacího motoru během závodu, tak čas na kolo by byl o 0,3 sekundy lepší, a to pomocí stejné baterie a elektrického motoru. [7]
48
6 ZÁVĚR Je jisté, ţe zásoby ropy nejsou nevyčerpatelné, proto je nutné hledat cesty, jak touto surovinou šetřit. Jednou z moţností jsou hybridní automobily, kde se konstruktéři snaţí v součinnosti se spalovacími motory vyuţít ve větší míře také elektromotory. U této technologie je samozřejmě velmi důleţité ukládání elektrické energie. Jako velmi vhodné se k tomuto účelu jeví lithium-iontové baterie. Plní všechny poţadavky, ale zároveň vyţadují optimální teplotu. Je proto nutné řešit strategii chlazení a naopak vyhřívání. V roce 2009 zahájil Mercedes-Benz výrobu hybridních automobilů, které musely být vybaveny právě touto baterií. Také Toyota dosáhla velmi dobrých výsledků u hybridních systémů,
které
kombinující
elektromotor
a benzinový motor
nejefektivnějším způsobem. Šetří tak pohonné hmoty a sniţuje emise, ale zároveň poskytuje dostatečný výkon. Dalším příkladem můţe být Hybrid Hyundai Sonata. Ten vyuţívá nové technologie „Blue Drive „ s paralelní hybridní konfigurací a Lithium polymerovou baterii. Vývoj dospěl také k vyuţití rekuperačního brzdění. Kinetická energie, která je běţně nepotřebná, můţe být shromaţďována pro pozdější vyuţití v běţném jízdním reţimu. Jízda v městském provozu znamená neustále se opakující zrychlení a zpomalení. Vyuţití tohoto způsobu jízdy můţe být poměrně vysoké. Pro příklad Toyota Prius tak ušetří jeden litr paliva na 100 km městského provozu. Pozadu nezůstává ani motoristický sport. Hybridní systémy se od letošního roku vracejí zpět do Formule 1 i do jiných kategorií motoristického sportu. Cílem je podpořit „zelenou přírodě“. Vzhledem k tomu, ţe automobily jsou stále sloţitější mechanizmy, je potřeba elektronický dohled. Hlavní elektrický motor, startér a měnič DC/DC má kaţdý svoji vlastní řídicí jednotku a tyto jednotky jsou sloučeny do jedné, která se nazývá hybridní řídicí jednotka. Ta přispívá ke sníţení nákladů a k celkové efektivnosti hybridního systému.
49
SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY
[1] Lithium-ion Battery: First Series Aplication in S 400 Hybrid. ATZ autotechnology, 2009, 9 (4): 12-19. ISSN 1865-6536 [2] Intergration of a lithium-ion battery into hybrid and electric vehicles. ATZ autotechnology, 2010, 10 (2): 26-31. ISSN 1865-6535 [3] VW’s BlueMotion Technology.
ATZ autotechnology, 2009, 9 (2): 60-61.
ISSN 1865-6536 [4] URL: www.toyota-global.com [5] SONATA HYBRID. ATZ autotechnology, 2011, 11 (1): 10-17. ISSN 1865-6536 [6] ‘By-wire‘ boosts hybrid vehicle dynamic. Automotive engineering international, 2009, 117 (4): 45-47. ISSN 1543-849 [7] Hybrid in Motorsport. ATZ autotechnology, 2011, 11 (1): 52-57. ISSN 1865-6536
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1: Proces chemických dějů při nabíjení a vybíjení Lithium-ion článků [1] Obr. 2: Graf závislosti průběhu ţivotnosti baterií na výkonu [1] Obr. 3: Schéma chlazení vzduchem [2] Obr. 4: Schéma chlazení s chladivem [2] Obr. 5: Schéma chlazení s kapalinou [2] Obr. 6: Schéma vytápění baterie [2] Obr. 7: Koncepce hybridního automobilu [3] Obr. 8: Koncepce hybridního automobilu Toyota [4] Obr. 9: Schéma zapojení hybridního systému do série [4] Obr. 10: Schéma zapojení hybridního systému paralelně [4] Obr. 11: Schéma zapojení hybridního systému do série/paralelně [4] Obr. 12: Ni-MH baterie [4] Obr. 13: Benzínový spalovací motor modifikovaný pro hybridní vozidlo [4] Obr. 14: Elektrický synchronní motor [4] Obr. 15: Planetová převodovka [4] Obr. 16: Vyuţití energie při brţdění [4] 50
Obr. 17: Vysoko-rychlostní generátor [4] Obr. 18: Kontrolní řídící jednotka ovládající hybridní systém [4] Obr. 19: Redukční převodovka pro elektromotor [4] Obr. 20: Koncepce hybridního automobilu (palivo/ konvenční elektrická energie) [4] Obr. 21: Sekundární baterie [4] Obr. 22: Nabíjení baterie [4] Obr. 23: Schéma rozdělení energie v závislosti na provozních podmínkách (rozjezd) [4] Obr. 24: Schéma rozdělení energie v závislosti na provozních podmínkách (pomalá rychlost) [4] Obr. 25: Schéma rozdělení energie v závislosti na provozních podmínkách (cestování) [4] Obr. 26: Schéma rozdělení energie v závislosti na provozních podmínkách (cestování/nabíjení) [4] Obr. 27: Schéma rozdělení energie v závislosti na provozních podmínkách (plné zrychlování) [4] Obr. 28: Schéma rozdělení energie v závislosti na provozních podmínkách (zpomalení/regenerace) [4] Obr. 29: Schéma rozdělení energie v závislosti na provozních podmínkách (zastavení) [4] Obr. 30: Spalovací motor Hyundai Sonata pro hybridní vozidlo [5] Obr. 31: Charakteristika motoru [5] Obr. 32: Automatická převodovka přizpůsobená elektromotoru [5] Obr. 33: Celek hnacího ústrojí (startér, spalovací a elektrický motor, převodovka) [5] Obr. 34: Aktivní vzduchová klapka [5] Obr. 35: Prvky ovládající rekuperační energii [6] Obr. 36: Ukázka z telemetrie vozu F 3000 (systém KERS) [7] Obr. 37: Diagram vyuţití energie systému KERS [7] Obr. 38: Účinnost jednotlivých druhů baterií [7]
SEZNAM TABULEK Tabulka č. 1: Bezpečnostní rizika jednotlivých typů baterií [1] Tabulka č. 2: Tabulka bezpečnosti dle Eurocar [1] 51
