Uk³ady elektryczne pojazdów hybrydowych

Transkrypt

1 Monografia zawiera analizê uk³adów elektrycznych pojazdów z uk³adami napêdu hybrydowego. Opisano w niej charakterystykê elektrochemicznych i elektrycznych uk³adów akumulacji energii z uwzglêdnieniem ultrakondensatorów. Przedstawiono rozwi¹zania ogniw paliwowych oraz ich wykorzystanie w pojazdach. Zaprezentowano rozwi¹zania uk³adów rozruchu silników spalinowych oraz silników elektrycznych stosowanych w pojazdach elektrycznych i hybrydowych. Podano przyk³ady konstrukcji pojazdów elektrycznych: osobowych, sportowych i pojazdów ciê kich oraz sposoby ich ³adowania. Wskazano na zagadnienia recyklingu pojazdów z uk³adami napêdu hybrydowego. Uzupe³nieniem jest przedstawienie sposobów certyfikacji pojazdów elektrycznych oraz hybrydowych w zakresie pomiaru zasiêgu oraz emisji dwutlenku wêgla. J. Merkisz I. Pielecha Uk³ady elektryczne pojazdów hybrydowych Jerzy Merkisz Ireneusz Pielecha Uk³ady elektryczne pojazdów hybrydowych Uk³ady elektryczne pojazdów hybrydowych Wydawnictwo Politechniki Poznañskiej

2 Jerzy Merkisz Ireneusz Pielecha Układy elektryczne pojazdów hybrydowych Poznań 2015 Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej

3 Recenzent dr hab. inż. JÓZEF TUTAJ Redaktor KRYSTYNA BUBACZ Skład, łamanie tekstu i projekt okładki IRENEUSZ PIELECHA Zdjęcia na okładce: KOVALENKO INNA, FOTOLIA.COM PIXTUMZ88, FOTOLIA.COM Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich ISBN Copyright by Politechnika Poznańska, Poznań 2015 WYDAWNICTWO POLITECHNIKI POZNAŃSKIEJ Poznań, pl. M. Skłodowskiej-Curie 2 tel , faks office_ed@put.poznan.pl, Wydanie I Druk: perfekt GAUL ul. Świerzawska Poznań

4 Spis treści Skróty i oznaczenia Wprowadzenie Wiadomości wstępne Układy elektryczne napędów pojazdów Wymagania stawiane pojazdom elektrycznym Akumulacja energii w pojazdach Podział akumulatorów Akumulatory elektrochemiczne Podział akumulatorów elektrochemicznych Charakterystyka akumulatorów elektrochemicznych Wyznaczanie stopnia naładowania akumulatora Kierunki rozwoju akumulatorów Ultrakondensatory Ładowanie pojazdów elektrycznych i hybrydowych Możliwości ładowania pojazdów Systemy bezprzewodowego ładowania akumulatorów pojazdów Projektowanie układów akumulacji energii Ogniwa paliwowe Wstęp Właściwości wodoru jako paliwa Podział ogniw paliwowych Reforming pokładowy paliwa Wykorzystanie ogniw paliwowych Konfiguracje układów napędu z ogniwami paliwowymi Ogniwa paliwowe w pojazdach firmy Honda Ogniwa paliwowe w pojazdach firmy Toyota Ogniwa paliwowe w pojazdach firmy Nissan Pojazdy firmy Mercedes wyposażone w ogniwa paliwowe Pojazdy firmy Hyundai wyposażone w ogniwa paliwowe Inne zastosowania ogniw paliwowych

5 4 Spis treści 4. Układy napędu elektrycznego pojazdów hybrydowych Rozwiązania układów rozruchu silnika spalinowego Wymagania dotyczące systemu start stop Silniki elektryczne układów napędowych Konstrukcje układów napędu elektrycznego Silniki elektryczne w piastach kół pojazdu Pojazdy elektryczne firmy Mitsubishi Pojazdy elektryczne firmy Volkswagen Układ napędu elektryczego pojazdu Nissan Leaf Sportowe pojazdy elektryczne Konstrukcje układów napędu elektrycznego pojazdów ciężkich Recykling pojazdów hybrydowych Recykling pojazdów z ogniwami paliwowymi Recykling elementów pojazdów hybrydowych Certyfikacja pojazdów hybrydowych Wprowadzenie Pomiar zasięgu pojazdów elektrycznych lub hybrydowych Pomiar emisji dwutlenku węgla i zużycia paliwa przez pojazdy hybrydowe Zakończenie Literatura

6 Skróty i oznaczenia AC AER AFC AGM ASM ASR ATR BEV BLAC BLDC BMS BSG CAN CARB CCS CD CEP CNG CP/VT CS CV DC DMFC ECU alternating current prąd okresowo zmienny, w którym wartości chwilowe przyjmują przemiennie wartości dodatnie i ujemne all electric range zasięg pojazdu w trybie elektrycznym alkaline fuel cell alkaliczne ogniwo paliwowe absorbent glass mat akumulator o płytach oddzielonych włóknem szklanym asynchronous machine silnik asynchroniczny automobile shredder residue odpady z pras samochodowych autothermal reforming reforming adiabatyczny battery electric vehicle akumulatorowy pojazd elektryczny brushless alternating current motor silnik prądu przemiennego indukcyjny, z magnesami trwałymi brushless direct current motor bezszczotkowy silnik prądu stałego battery management system system zarządzania akumulatorem belt-driven starter-generator prądnico-rozrusznik napędzany paskiem klinowym controller area network szeregowe magistrale komunikacyjne California Air Resources Board Kalifornijska Rada ds. Zasobów Powietrza combined charging system kombinowany system ładowania charge depleting rozładowanie akumulatorów Clean Energy Partnership Konsorcjum Czystej Energii compressed natural gas sprężony gaz ziemny constant power/variable torque sterowanie silników elektrycznych w zakresie nastaw: stała moc/zmienny moment obrotowy charge sustaining ładowanie podtrzymujące constant voltage napięcie stałe direct current prąd charakteryzujący się stałym kierunkiem przepływu direct methanol fuel cell metanolowe ogniwo paliwowe z bezpośrednim zasilaniem electronic control unit centralna jednostka sterująca silnika

7 6 Skróty i oznaczenia EESM EFB EPA ESM ESR ESS EUDC EV EVSE f FCEV FC-HV GDE H 2 HD HEV HSM HV, WN i IMA IMG ISA ISAD I-SAM LCO LDV LFP LHV Li-Ion Li-Po electrically energised synchronous motor silnik synchroniczny wzbudzany elektrycznie enhanced flooded battery akumulator ze specjalną powłoką z poliestru na płycie dodatniej akumulatora Environmental Protection Agency Agencja Ochrony Środowiska engine start module moduł ultrakondensatorów rozruchowych silnika pojazdu ciężarowego firmy Maxwell equivalent series resistance zastępcza rezystancja szeregowa energy storage system układ gromadzenia energii extra urban driving cycle cykl jezdny pozamiejski testu NEDC electric vehicle pojazd z napędem elektrycznym electric vehicle supply equipment urządzenia zewnętrzne do zasilania pojazdu elektrycznego frequency częstotliwość fuel cell electric vehicle pojazd elektryczny z ogniwami paliwowymi fuel cell hybrid vehicle ogniwo paliwowe w układzie napędu hybrydowego gas diffusion electrode dyfuzyjna elektroda gazowa hydrogen wodór heavy duty ciężki pojazd hybrid electric vehicle pojazd z układem napędu hybrydowego hybrid synchron motor hybrydowy silnik synchroniczny high voltage wysokie napięcie przełożenie integrated motor assist zintegrowany prądnico-rozrusznik firmy Honda integrated motor generator zintegrowany prądnico-rozrusznik firmy Bosch integrated starter alternator zintegrowany prądnico-rozrusznik integrated starter alternator damper zintegrowany prądnico- -rozrusznik firmy Continental integrated starter alternator motor zintegrowany silnik elektryczny z prądnico-rozrusznikiem lithium cobalt oxide litowo-kobaltowy (dotyczy akumulatora) light duty vehicle lekki pojazd samochodowy lithium iron phosphate litowo-fosforanowy (dotyczy akumulatora) lover heating value dolna wartość opałowa lithium-ion battery akumulator litowo-jonowy lithium-polymer battery akumulator litowo-polimerowy

8 Skróty i oznaczenia 7 LMO LTO LV, NN M MCFC MD MDS MG MiEV MIEV MRV n NCA N e NEDC NG NiCd NiMH NMC NOVC OBC OLEV OVC PAFC Pb PE PEM PES lithium manganese oxide litowo-magnezowy (dotyczy akumulatora) lithium titanate litowo-tytanowy (dotyczy akumulatora) low voltage niskie napięcie torque moment obrotowy molten carbonate fuel cell ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem medium duty lekki pojazd ciężarowy motor drive system Volvo układ napędu silnika elektrycznego firmy Volvo motor/generator silnik elektryczny/generator Mitsubishi innovative electric vehicle innowacyjny pojazd elektryczny firmy Mitsubishi Mitsubishi in-wheel electric vehicle silniki elektryczne umieszczone w piastach kół pojazdu (firmy Mitsubishi) moteur reluctance variable silnik reluktancyjny opracowany przez francuską firmę Radio Energie speed prędkość obrotowa lithium nickel cobalt aluminum oxide litowo-niklowo-kobaltowy (dotyczy akumulatora) power moc silnika new european driving cycle nowy europejski cykl jezdny natural gas gaz ziemny nickel-cadmium battery akumulator niklowo-kadmowy nickel-metal hydride battery akumulator niklowo-wodorkowy lithium nickel manganese cobalt oxide niklowo-magnezowo- -kobaltowy (dotyczy akumulatora) non off-vehicle charging pojazd bez możliwości doładowania ze źródeł zewnętrznych on board charger ładowarka pokładowa online electric vehicle pojazd elektryczny ładowany w sposób bezpośredni off-vehicle charging doładowanie akumulatorów pojazdu ze źródeł zewnętrznych phosphoric acid fuel cell ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym lead-acid battery akumulator kwasowy (ołowiowy) excess emission przekroczenie limitu emisji dwutlenku węgla proton exchange membrane ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów permanently engaged starter generator stale zazębiony prądnico-rozrusznik

9 8 Skróty i oznaczenia PESM PHEV P-HEV plug-in PMSM POX PSA RESS SEM SOC SOFC SPIL SR SRM SUV TCO U USABC V OC VP/CT VP/VT WBCSD ZAFC ZEV permanent energised surface magnetism silnik prądu stałego o magnetyzmie powierzchniowym plug-in hybrid electric vehicle doładowanie pojazdu hybrydowego z sieci elektrycznej power-assist hybrid electric vehicle pojazd hybrydowy wykorzystujący silnik elektryczny do wspomagania pracy (mild hybrid) plug-in charging system ładowanie pojazdów ze źródeł zewnętrznych permanent magnet synchronous motor silnik synchroniczny z magnesami trwałymi partial oxidation reforming polegający na częściowym utlenianiu pressure swing adsorption adsorpcja zmiennociśnieniowa rechargeable energy storage systems akumulacyjne systemy gromadzenia energii siła elektromotoryczna state of charge stopień naładowania akumulatora solid oxide fuel cell ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem solid polimer ionic liquid stały polimerowy elektrolit cieczy jonowej steam reforming reforming parowy switched reluctance motors silnik z przełączaną reluktancją sport utility vehicle sportowy pojazd użytkowy total cost of ownership całkowity koszt posiadania pojazdu napięcie U.S. Advanced Battery Consortium amerykańskie konsorcjum zaawansowanych technologii akumulatorów open circuit voltage napięcie akumulatora bez obciążenia variable power/constant torque sterowanie silników elektrycznych w zakresie nastaw: zmienna moc/stały moment obrotowy variable power/variable torque sterowanie silników elektrycznych w zakresie nastaw: zmienna moc/zmienny moment obrotowy World Business Council for Sustainable Development Światowa Rada Biznesu ds. Zrównoważonego Rozwoju zinc-air fuel cell ogniwo cynkowo-powietrzne zero emission vehicle pojazd o zerowej emisji spalin efficiency sprawność angular speed prędkość kątowa

10 1 Wprowadzenie 1.1. Wiadomości wstępne Ciągły rozwój układów napędowych pojazdów samochodowych spowodowany jest dążeniem do uzyskiwania coraz lepszych wskaźników pracy silnika przy jednoczesnym ograniczeniu skażenia środowiska naturalnego. Mimo dynamicznego rozwoju rynku pojazdów z układem napędu elektrycznego (w dalszej części określanych mianem pojazdów elektrycznych) w Europie, w Polsce odnotowuje się niewielkie zainteresowanie tego typu pojazdami. Według Instytutu Samar w Polsce zarejestrowano tylko 17 pojazdów elektrycznych w I połowie 2012 roku. Oznacza to 37-procentowe zmniejszenie, gdyż w I połowie 2011 roku zarejestrowano 27 pojazdów. Najwięcej takich pojazdów, według Samar, sprzedała firma Renault (12 szt. Kangoo EV), następnie firmy: Peugeot (5 szt.), Citroën (2 szt.) i jeden pojazd Mitsubishi (i-miev). W roku 2010 dostępnych było jedynie kilka modeli pojazdów elektrycznych. Obecnie jest ich około 20. Szacuje się, że na koniec 2012 roku po drogach poruszało się pojazdów elektrycznych (nie uwzględniono pojazdów dwukołowych, autobusów i pojazdów ciężkich) [51]. Największą sprzedaż odnotowano w Japonii i Stanach Zjednoczonych (rys. 1.1). Japonia 28% USA USA 26% 26% Chiny 16% Francja 11% Norwegia 7% Niemcy 2% Wielka Brytania 2% Inne 9% Rys Światowa sprzedaż pojazdów elektrycznych w 2012 roku [51] Tak znaczna liczba pojazdów elektrycznych stanowiła tylko 0,02% wszystkich pojazdów na świecie. Należy podkreślić, że tylko w Chinach po-