POJAZDY Z NAPĘDEM HYBRYDOWYM I ELEKTRYCZNYM prof. zw. dr hab. inż. Antoni Szumanowski dr inż. Arkadiusz Hajduga Zakład Napędów Wieloźródłowych Politechnika Warszawska

Problemy te wzrastają z ciągle rosnącą liczbą pojazdów samochodowych. Główne problemy związane z eksploatacją spalinowych pojazdów samochodowych w aglomeracjach miejskich: Wysoka emisja CO2. Wysoka emisja substancji toksycznych zawartych w spalinach. Wysokie zużycie energii (paliwa). Wysoki poziom hałasu. Problemy te wzrastają z ciągle rosnącą liczbą pojazdów samochodowych.

Ograniczenie emisji CO2 Właściwości aerodynamiczne. Układ napędowy Zmniejszenie SCx o 5 dm2 zmniejsza emisję CO2 o 2,5 g Zwiększenie średniej sprawności pracy silnika o 10% zmniejsza emisję CO2 o 15 g Wpływ hybrydyzacji napędu Opory toczenia Zmniejszenie o 10% powoduje zmniejszenie emisji CO2 o 2 g Masa całkowita Zmniejszenie masy o 100kg pozwala zmniejszyć emisję CO2 o 4 g Baterie zwiększają masę pojazdu 3

Zmniejszenie zużycia energii Szczyt wydobycia ropy naftowej alternatywne “paliwa” : energia elektryczna, wodór? Energia elektryczna i wodór jako nośniki energii wymagają przetworzenia: węgla ropy naftowej energii wodnej energii atomowej energii wiatru energii słonecznej Ale także biopaliw tj. gazu naturalnego i innych ciekłych paliw które “per saldo” nie zwiększają emisji CO2

Problemy te pomoże rozwiązać wprowadzenie do eksploatacji pojazdów z napędem hybrydowym i elektrycznym Hybrydyzacja napędu pozwala na zmniejszenie emisji spalin, a przez to również substancji toksycznych oraz CO2. Elektryfikacja napędu całkowicie eliminuje wydzielanie spalin przez napęd.

Konfiguracje napędu hybrydowego Napęd podwójny Zdwojone źródła Połączenie cierne Połączenie stałe jednowałowy DC/AC Converter Mechanical Transmission Electric Motor AC/DC Thermal Engine Fuel Tank Generator Batteries Rozdział elektromechaniczny Planetary gear Równoległy Łączony Mieszany Rozdział elektromechaniczny elektromagnetyczny dwuwałowy Zdwojone akumulatory Szeregowy

W każdym napędzie hybrydowym możemy wyróżnić : Źródło pierwotne (silnik spalinowy, ogniwo paliwowe, itp) Źródło wtórne (bateria akumulatorów elektrochemicznych, bezwładnik, itp) Maszyna elektryczna Układ transmisji momentu Podzespoły pomocnicze (sprzęgła, hamulce itp)

Zmniejszenie zużycia paliwa źródła pierwotnego poprzez odpowiedni dobór punktów pracy (na przykładzie silnika spalinowego) Napęd klasyczny Napęd hybrydowy

Zużycie paliwa w napędzie klasycznym i hybrydowym (minibus 5T, rozszerzony europejski cykl jazdy)

Dane: Długość 381 mm Średnica 290 mm Masa 74 kg Osiągi Moc chwilowa 75 kW(ts) 70kW(tg) Maksymalny moment 1700 N·m (ts) 1650Nm (tg) Prędkość maksymalna 1400 RPM Sprawność maksymalna 91% Masowa gęstość mocy 1014 W/kg *źródło: materiały reklamowe UQM

Szeregowy napęd hybrydowy

Szeregowy napęd hybrydowy - start

Szeregowy napęd hybrydowy - jazda

Szeregowy napęd hybrydowy - hamowanie

Równoległy napęd hybrydowy

Równoległy napęd hybrydowy - start

Równoległy napęd hybrydowy - jazda

Równoległy napęd hybrydowy - hamowanie

Napęd elektryczny

Zastosowanie przekładni wielobiegowej w napędzie elektrycznym Punkty pracy maszyny elektrycznej i charakterystyka zewnętrzna napędu elektrycznego wyposażonego w przekładnię wielobiegową Punkty pracy maszyny elektrycznej i charakterystyka zewnętrzna napędu elektrycznego bez przekładni wielobiegowej

Zastosowanie przekładni wielobiegowej w napędzie elektrycznym Korzyści wynikające z zastosowania przekładni wielobiegowej w napędzie elektrycznym są szczególnie widoczne dla miejskich warunków eksploatacji.

Lohner Porsche „Semper Vivus” 1900 r. Pierwszy pojazd z napędem hybrydowym. Dwa silniki elektryczne w kołach przednich o mocy 3,5 KM każdy. Akumulatory 80V o masie 1800 kg.

Toyota Prius Pojazd z napędem „plug-in” hybrid. Bateria Li-Ion 5.2 kWh pozwalająca na pokonanie 21 km przy prędkości 100km/h. Zużycie paliwa 1,76 l/100km. Średnia sprawność napędu 43,6%. Emisja CO2 41 g/km. Ładowanie baterii przy napięciu 100V – 180 minut; przy napięciu 200V 100 minut.

Pozytywy Negatywy Poprawa sprawności i trwałości silnika spalinowego Znaczne zmniejszenie zużycia energii i emisji Wyłączanie silnika spalinowego w czasie postoju Ograniczenie emisji CO2 Ograniczenie hałasu Hamowanie odzyskowe Negatywy Złożoność napędu Wyższy koszt napędu Konieczność rozwoju i inwestycji w nowe technologie Konieczność zmiany mentalności i polityki transportowej

Infrastruktura Ogólnodostępna stacja ładowania przy parkingu publicznym. Koncepcja bezprzewodowej stacji ładowania. Stacja szybkiego ładowania (moc ciągła 30 kW) Przydomowa stacja ładowania

Napęd odpowiedni do zastosowania pojazdu: Różne pojazdy, różne problemy, różne sposoby działania Brak jednego uniwersalnego rozwiązania wymusza potrzebę odpowiedniego, indywidualnego podejścia do każdego rozwiązania : Napęd odpowiedni do zastosowania pojazdu: BEV: wyłącznie strefa miejska HEV: strefa miejska i podmiejska FCV: również dłuższe dystanse } PHEV BEV HEV Bateria elektrochemiczna FCEV PHEV

Napęd hybrydowy z przekładnią planetarną o dwóch stopniach swobody Szeregowo - równoległy napęd hybrydowy wynaleziony przez A. Szumanowskiego w 1994 r. TE – Silnik spalinowy PG – Przekładnia planetarna EM – Silnik elektryczny / Generator Bat – Baterie C – Sprzęgło B1, B2 – Hamulce DG – Przekładnia główna TW – Koła trakcyjne CU – Falownik

Napęd hybrydowy z przekładnią planetarną o dwóch stopniach swobody – stanowisko laboratoryjne

Konstrukcje eksperymentalne

Dziękuję za uwagę