Download - VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
1
2
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
ELEKTROMOBILY A HYBRIDNÍ ELEKTROMOBILYDíl IV
Prof. Ing. Zdeněk Čeřovský, DrSc
TYPY HYBRIDNÍCH ELEKTROMOBILŮPodrobný výklad funkce a vlastností
3
Sériový hybridní pohon
spalovací motor může pracovat v optimálním pracovním bodě
možnost brzdění rekuperací
nižší účinnost přenosu výkonu
spalovacímotor
generátor
trakčnímotor
baterie
SM
TM
G
BAT
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
4
Paralelní hybridní přenos
vysoká účinnost mechanické části
možnost rekuperace
zlepšené pracovní podmínky spalovacího motoru
nízká účinnost elektrické části
mechanickápřevodovka
spalovacímotor
baterie
trakčnímotor
SM
MP
TM BAT
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
5
Kombinovaný hybridní pohon přepínatelný
Požadavek výkonu
nízký vysoký
sériový pohon paralelní pohon
spojka sepnuta
spojka rozpojena
BAT
spalovacímotor
generátor
baterie
trakčnímotor
spojka
SM
G
TM
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
6
Mechanický dělič výkonu- dělič výkonu tvoří diferenciální planetová převodovka (t.j. se
dvěma stupni volnosti
- oba elektrické stroje jsou běžné konstrukce se stojícími statory
- jeden ze strojů má dutý rotor pro průchod hřídele
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
~
~
motor
~
spalovacímotor
řídícíjednotka
generátor
Planetovápřevodovka
7
V1
2
1
2SMGEN ω
R
R
R
R1ωω
R 2, V R 1, GEN
SM
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
8
Hybridní pohony s dělením výkonu- při daném výkonu může spalovací motor trvale pracovat s
nejnižší spotřebou paliva
- účinnost přenosu výkonu je vyšší než v případě sériového hybridního pohonu, protože část výkonu se na kola přenáší přímo mechanicky
- oproti elektrickému přenosu lze docílit úspor i prostým dělením výkonu - elektromechanický přenos
Možná řešení- s elektrickým děličem výkonu
- s mechanickým děličem výkonu
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
9
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
Hybridní vozidla: Toyota
Motor: 1,5l
Baterie: Ni-MH
Prodáno: 70 tis. kusůhttp://www.motormania.sk/art.ltc/178
Prius – hybrid
1997
10
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
Hybridní vozidla: Toyota
MotorBaterie
El.motor
Dělič výkonu Generátor Měnič
Transmise
Redukčnípřevodovka
Mech. Cesta
El. cesta
11
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
Přenos s elektrickým dělením výkonu - Generátor se dvěma rotory
- Rotující první rotor (stator) předává točivý moment spalovacího motoru přímo na kola vozidla.
~
~
.
Generator
.
Fahrmotor
~Verbrenn
ungsmotor
Regler
12
Slovenská strela- 2 rychlé motorové vozy (Tatra, 1936)
- použit elektrický dělič výkonu vyvinutý Ing. Josefem Sousedíkem
- další generace elektromechanického přenosu vyvinuta po 2. světové válce
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
13
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
14
SPALOVACÍ MOTOR
VÝKON KOMPONENT A JEHO DĚLENÍ
100
% v
ýkon
u
rychlost vozidla
mech. přenos
elektrický přenos
15
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
FYZIKÁLNÍ MODEL HYBRIDNÍHO PŘENOSU S DĚLIČEM VÝKONU
VÝZKUM V RÁMCI PRACÍ VÝZKUMNÉHO CENTRA JBČVUT V PRAZE
16
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT PrahaKatedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
TM
Základová deska
SUPERKAP
MM
AM
NP
AM
NP
ELM SP
SG PM
17
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
18
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
19
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
Akumulace brzdné energie automobilu v superkondenzátoru
Ing. Vladek Pavelka
20
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
Obsah:
• rekuperační obvod• praktická realizace• superkondenzátor – vlastnosti, aplikace• napěťový měnič – způsob řízení, vlastnosti• výsledky simulace• závěr
21
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
výkonu
dělič
elektrický
as. motor spalovací
motor
= ~
= ~
= =
superkondenzátor
ss. měnič napětí
ss. meziobvod
Schéma pohonu
- rekuperační obvodtlumivka
super-kondenzátor
výkonový modulmeziobvod
22
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
23
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
výkonový modul Semikron SkiiP 942GB120-317CTV
integrovaný inteligentní modul s čidly proudu a teploty
1200 V / 900 A / 20 kHz
28 x 22 x 16 cm, 10 kg
24
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
superkondenzátor Epcos UltraCap B48710
superkondenzátorová baterie(27 x 2700 F / 2.3 V)
100 F / 56 V / 400 A
36 x 44 x 22 cm, 28 kg
25
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
tlumivka vzduchová vyhlazovací tlumivka z Cu vodiče
10 mH / 100 A
35 x 38 x 11 cm, 33 kg
26
ELEKTRICKÉ VLASTNOSTI- Nízké jmenovité napětí + Velká proudová zatížitelnost+ Velký měrný výkon+ Vysoký počet nabíjecích cyklů+ Odolnost proti hlubokému vybití+ Malé samovybíjení+ Bezproblémová funkce při nízkých
teplotách
FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI+ Uchování energie bez nutnosti její
přeměny+ Nízká hmotnost+ Neobsahuje těžké kovy (Cd, Ni, Pb)+ Odolnost proti otřesům a vibracím
APLIKACE• Doprava, automobilová technika• Záložní zdroje el. energie
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
Superkondenzátor
27
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
Tab.1. Porovnání vlastností olověné baterie, superkondenzátoru a běžného kondenzátoru
olověná baterie
super-kondenzátor
běžný kondenzátor
nabíjecí doba 1 – 5 h 0,3 – 30 s 10-3 – 10-6 s
vybíjecí doba 0,3 – 3 h 0,3 – 30 s 10-3 – 10-6 s
měrná energie [Wh/kg] 10 - 100 1 - 10 < 0,1
měrný výkon [W/kg] < 1000 < 10 000 <100 000
životnost [cyklů] 1000 > 500 000 > 500 000
účinnost nabíjení a vybíjení [%]
70 – 85 85 -98 > 95
28
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
1,5 t & 50 km/hod
100 F, 56 V, 400 A
cca. 150 kJ
150 kJ 150 kW·s 30 kW · 5 s10 kW · 15 s
0
5
10
15
20
25
0 10 20 30 40 50 60
Energie a max. příkon superkondenzátoru v závislosti na jeho napětí
U [V]
P [kW]
0,1*E [kJ]
Samovybíjení: cca. 0,5 V za 1 hod cca. 3 V za 10 hod
Vnitřní odpor: cca. 30 mZtrátový výkon: 4,8 kW (400 A)
29
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
Schéma rekuperačního obvodu
tlumivka
super-kondenzátor
výkonový modulmeziobvod
Ukládání el. energie
u2
i1
C1
L R
C2
T1
D2 i2
u1
u2
C1
L R
C2
T1
D2 i2
U1
T1 ON T1 OFF
t
i2 přerušovaný proud
t
i2 nepřerušovaný proud
30
tlumivka
super-kondenzátor
výkonový modulmeziobvod
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
Schéma rekuperačního obvodu
Čerpání el. energie
C1
L R
C2T2
D1
U1
i2u2 u2
C1
L R
C2T2
D1
u1
i2
i1
ti2
přerušovaný proud
ti2
nepřerušovaný proud
T1 ON T1 OFF
31
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
0 0.05 0.1 0.15 0.20
100
200
300
400
Ukládaní energie do superkondenzátoru
z [-]
Imax
P1AV
U1=400V
f=10kHz L=10mH R=0.1
0
4
8
12
16
0
20
40
60
80
100
U2=56VU
2=33V
P [kW] I [A]
[%]
zatěžovatel
32
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
0.8 0.82 0.84 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 10
50
100
150
200
250
300
350
400
Čerpání energie ze superkondenzátoru
z [-]
Imax
P1AV
U2=33VU
2=56V
U1=400V
f=10kHz L=10mH R=0.1
0
4
8
12
16
0
20
40
60
80
100
[%]
P [kW] I [A]
33
VÝZKUMNÉ CENTRUM JOSEFA BOŽKA
Katedra elektrických pohonů a trakce K 314 - ČVUT Praha
Ukládání energie
• velká dynamika regulátoru, rychlý regulační zásah => zanedbatelný překmit napětí meziobvodu při skokovém nárůstu příkonu do meziobvodu
Čerpání energie
• Malá dynamika regulátoru, pomalý regulační zásah => znatelný pokles napětí meziobvodu při skokovém nárůstu výkonu odebíraného z meziobvodu
• akumulovaná energie v tlumivce => nárůst napětí meziobvodu po ukončení regulace