1

Hybridní automobily

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

2

Hybridní automobily

Obsah

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

3

Hybridní automobily

Vozidla s více než jedním zdrojem pohybové energie

Účel hybridního uspořádání: •Využití výhodných vlastností dílčích zdrojů pohybu v různých jízdních režimech vozidla

• Optimalizace provozních režimů dílčích pohonných agregátů• Možnost rekuperace kinetické energie

Nevýhody•Větší nároky na prostor ve vozidle •Větší výsledná hmotnost vozidla(vše v porovnání s vozidlem na klasický pohon spalovacím motorem)

4

Základní koncepce klasickýcha hybridních pohonů vozidel

Klasická koncepce pohonu vozidlaPoužitelné koncepce „obecného motoru“•Motor s vnějším spalováním(parní stroj, Stirlingův motor)

•Motor s vnitřním spalováním(Ottův, Diesel)

•Spalovací turbína

•Elektromotor

5

Současné a perspektivní typy motor ů

pro motorová vozidlaSpalovací motory s vnitřním spalovánímZážehové 4- taktní•Vznětové 4-taktníElektrické motory používané pro trakční účely•Asynchronní•Synchronní s permanentními magnety ze vzácných zemin•Reluktanční (ve vývoji)•BLDC (brush-less DC motor – elektronicky komutovaný)Všechny výšeuvedené typy elektromotorů vyžadují elektronický měnič DC/AC a vhodnou regulaci•Stejnosměrný motor se sériovým buzením (trakční) –v nových konstrukcích vozidel se již nepoužívá

6

Koncepce hybridních pohon ů

Základní charakteristika hybridního pohonu: více než jeden zdroj pohybové energie

Gear

Combustionmotor

Battery

Tractionmotor

SM

MP

TM BAT

Paralelní hybridní pohonOmezení pro spalovací motor1. Otáčky spalovacího motoru pevně svázány

s rychlostí pohybu vozidla (dle zařazeného rychlostního stupně)

2. Nelze plně optimalizovat pracovní oblastspalovacího motoru

Trakční motor TM umožňuje1. Samostatnou jízdu na energii z akumulátoru2. Přidat svůj výkon k výkonu spalovacího motoru3. Přechodem do generátorického režimu

rekuperovat kinetickou energii vozidla doakumulátoru

Vyšší komplikovanost a hmotnost pohonu ve srovnánís klasickou koncepcí. Trakční motor může být dimenzován pouze na část celkového výkonu vozidla

7

Sériový hybridní pohon

CombustionMotor

Generator

TractionMotor

Battery

SM

TM

G

BATElectric connectiononly

Do mechanické cesty přenosu energie vřazenelektrický přenosový člen se soustavouGenerátor + Trakční Motor + Akumulátor energie

Akumulátor energie– elektrochemický akumulátor

- pro krátkodobé dodávky energie lze použíti setrvačníkový akumulátorči superkapacitor

Výhody řešení•Mechanické oddělení motoru a kol vozidla→ možnost optimalizace pracovního bodu

spalovacího motoruNevýhody•Vysoká hmotnost TM a G dimenzovaných na plnývýkon vozidla

8

Hybridní pohon s elektromechanickým d ěličem výkonu

Hybridní pohon s dělením výkonuPlanetovou převodovkou a generátorem(koncepce Toyota)

Hybridní pohon s dělením výkonudvourotorovým generátorem(koncepce Sousedík)

~

~

Tracti onmotor

~

Combust ionmotor

Control unit

Generator

Planetar yGear

Battery

~

~

.

Generator

.

tractionmotor

~

Combustionmotor

Regler

Battery

9

Mechanický d ělič výkonu - diferenciál

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

10

Planetová p řevodovka pro d ělení výkonu

http://auto.howstuffworks.com/hybrid-car7.htm

11

Schéma hybridního pohonu s planetovoupřevodovkou

12

Schéma pohonu Toyota Prius

http://www.ae.pwr.wroc.pl/filez/20110606092430_HEV_Toyota.pdf

Principiální uspořádáníhybridního pohonuvozidla Toyota Prius

13

Hybridní pohon s elektrickým d ěličem výkonu

~

~

.

Generator

.

tractionmotor

~

Combustionmotor

Regler

Battery

14

Elektrický d ělič výkonu ČVUT FEL

Permanent magnet rotor

"Stator" coil

"Stator" coil "Stator" slip rings

BrushesElectromagnetic clutchFrame

Rotating"stator"

15

Fyzikální model hybridního pohonu s elektrickým děličem výkonu

16

Nosi če energie pro klasické a hybridní pohonymotorových vozidel

A) Paliva pro klasické spalovací motoryBenzínNaftaLPG (Liquified Petroleum Gas)CNG (Compressed Natural Gas)

B) Nové druhy biopaliv pro spalovací motory – ve stadiu zkoušekEtanol: 3% – 15% příměs do benzínu snižuje úroveň emisí v porovnání

se samotným benzínemMetanol:Z hlediska výkonu a energetického obsahu blízký benzínu,

korozivní účinky, toxický, nižší emise v porovnání s benzínemBionafta:směs klasické nafty a metylesteru řepkového oleje (MERO)Vodík: plyn buď pro přímé spalování v zážehových motorech

nebo pro přeměnu na elektrickou energii v palivových článcích

17

Energetický obsah vybraných paliv

Palivo Hmotnostní hustota energie(MJ/kg)

Hmotnostní hustota energie

(kWh/kg)

Objemová hustota energie

(MJ/dm3)

Objemová hustota energie

(kWh/dm3)

Benzín 48,07 13,35 31,15 8,65

LPG 46,1 12,78 24,9 6,92

Nafta 42,5 11,8 35,2 9,78

Propan (kapalný) 50,43 14,0 23,08 6,41

Butan (kapalný) 51,75 14,37 29,9 8,3

Vodík (plyn p= 300 barů)

119 33 2,33 0,65

Vodík (kapal. -253°C) 119 33 8,46 2,35

Uhlí – ořech hnědý 20 5,55 16,7 4,64

18

Účinnost p řeměny energie paliv na pohybovou energii vozidla

19

Současný stav v koncepci a akumulaci energie v hybridních pohonech

Komerční oblast: Obchodní úspěch hybridních vozidel začal u vozidel s dělením výkonu planetovou převodovkou a generátorem (koncepce Toyota Prius). Dosaženo cca 20% úspor paliva, komfort vozidla srovnatelný s klasickým automobilem, snížení objemu zavazadlového prostoru vlivem uložení Ni MH akumulátoru 220V/ 7 Ah. Vozidlo nepotřebovalo žádné dobíjení, veškerá elektrická energie pro elektrický pohon je získávána ze spalovacího motoru (autarkický hybrid). Současné koncepce vycházejí z navýšení kapacity akumulátorů – Li-Fe- Pol s kapacitou cca 20 Ah a el. dojezdem 20 -30 km. Před jízdou se dobíjí. Proto „plug-in hybrid“. Výhledové koncepce: Orientace na hybridní pohony s palivovými článkyna vodík a vzduch (nízkoteplotní PEMFC) a vysokoteplotní palivové články (HTFC) s palubní reformací uhlovodíkových paliv (přímá konverze kapalných paliv – např. metyl alkoholu na vodík, doplněné chemickým akumulátorem.Vznikne „elektrický hybrid“. Mezikoncepce – elektromobil s range-extenderem.

20

Současné modely HV na českém trhu

Prius+, hybridní kombík (autarkický, 679 900 Kč).Prius plug-in hybrid . (909 900 Kč).Toyota Yaris Hybrid , Auris Hybrid AurisTouring Sports Hybrid .Honda Insight, Peugeot 3008 Hybrid4(725 000 Kč)Peugeot 508 RXH(884 500 Kč)plug-in hybrid Opel Ampera.

21

Hybridní automobily

Použitá literatura

/1/ Cenek,M a kol.: Akumulátory – od principu k praxiFCC Public, 2003

/2/ Kameš, J: Alternativní pohony automobilů

BEN-Technická literatura, Praha 2004/3/ Vlk,F.: Alternativní pohony motorových vozidel

Nakladatelství a vydavatelství F.Vlk, Brno 2004/4/ Scientist American – speciální číslo leden-únor 2007

Energie budoucnosti/5/ Olah,J.: Aplikační možnosti superkondenzátorové baterie

na trakčním vozidleSemestrální práce ČVUT FEL 2006

22

23

24

Fyzikální model hybridního pohonu s elektrickým děličem výkonu

25

Současné modely HV na českém trhu

Prius+, hybridní kombík (autarkický, 679 900 Kč).Prius plug-in hybrid . (909 900 Kč).Toyota Yaris Hybrid , Auris Hybrid AurisTouring Sports Hybrid .Honda Insight, Peugeot 3008 Hybrid4(725 000 Kč)Peugeot 508 RXH(884 500 Kč)plug-in hybrid Opel Ampera.