دانلود پایان نامه خودرو هیبریدی doc - در Download Hybrid Vehicle Thesis
کیفیت این پایان نامه بسیار عالی می باشد و با فرمت ورد ذخیره شده تا در صورتی که نیاز به ویرایش داشتید به راحتی بتونید انجام بدید
جهت دانلود پایان نامه روی لینک زیر کلیک نمایید
فصل چهارم
ترکیب بندی اجزا خودروهای هیبریدی
1- خودروهای برقی هیبریدی
اساس عملکرد هر خودرو برقی تبدیل انرژی الکتروشیمیایی ذخیره شده در مجموعه ای از باتریها به انرژی مکانیکی لازم برای حرکت خودرو است . یک مدار الکتریکی مشتمل برزیرسیستمهای مختلف امکان این تبدیل انرژی را فراهم می کند . خودروهای برقی شامل مجموعه ای از باتریها به عنوان منبع انرژی ، یک یا چند موتور الکتریکی به عنوان محرک مکانیکی ، سیستم کنترل که با توجه به فرمانهای راننده وشرایط جاده سیگنالی مناسب را جهت کنترل موتور ایجاد می کند ومبدل الکترونیک قدرت که با توجه به سیگنالهای ایجادشده توسط سیستم کنترل،ولتاژ ودرصورت لزوم فرکانس لازم برای موتور فراهم می کند ، می باشند . شکل (1) نمایی از یک خودروی برقی وارتباط بین اجزاء مختلف آن را نشان می دهد .
شکل1
راندمان مصرفی انرژی در خودروهای هیبرید پیشرفته هنگام عملکرد شهری تقریبا دو برابرراندمان خودروهای متداول می باشد.شکل(2) چگونگی مصرف انرژی درخودروهای هیبرید را به هنگام عملکرد شهری نشان می دهد .
شکل2
درادامه به مزایا ومعایب خودروهای هیبرید نسبت به خودروهای برقی اشاره کرده و آنگاه انواع ساختارهای هیبرید را بررسی می کنیم :
مزایای خودروهای هیبرید نسبت به خودروهای برقی :
قابلیت شارژباتریهادرحین حرکت ، نیاز به وزن وحجم کمتری از باتریها ، قابلیت اعتماد بیشتر بدلیل وجود دومنبع انرژی ، امکان استفاده از خودرو در مسافتهای طولانی تر .
2- معایب خودروهای هیبرید نسبت به خودروهای برقی
راندمان پایین تر و وزن بیشتر بدلیل افزایش تعداد مولفه های سیستم ، تولید آلودگی (البته درحدبسیارپایین تراز خودروهای معمولی)،کنترل پیچیده تر ، افزایش قسمت های مکانیکی .
البته خودروهای هیبرید مزایای دیگری نیز دارندکه به نوع سیستم هیبرید مربوط است و در بخش مربوطه به آنها اشاره می شود .
سیستم های هیبرید براساس طرز قرار گرفتن موتور احتراق داخلی ، موتور الکتریکی و نقش هریک درتامین انرژی حرکتی درتامین انرژی حرکتی خودرو به سه دسته هیبرید سری ، هیبرید موازی ، وهیبرید سری – موازی تقسیم بندی می شوند .
3- خودروهای هیبریدی سری
این دسته ساختارنزدیکی به خودروهای برقی دارند.به عبارت دیگربه ساختار خودروهای برقی یک سیستم موتور احتراق داخلی وژنراتور اضافه می شود . ولی موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی با یکدیگر هیچگونه ارتباط مکانیکی ندارند . در این خودروها موتور الکتریکی به چرخ هاوموتوراحتراق داخلی به ژنراتور کوپل می شود. به این ترتیب انرژی مکانیکی توسط موتور احتراق داخلی به ژنراتور منتقل شده ، پساز تبدیل به انرژی الکتریکی در باتریها ذخیره می گردد . نمای کلی یک خودروی هیبرید سری در شکل (3) نشان داده شده است.
شکل3
شکل (4) بلوک دیاگرام یک خودروی هیبرید سری را نشان می دهد . دراین طرح ابتدا سوخت ازطریق موتوراحتراق داخلی به انرژی مکانیکی برای به حرکت در آوردن ژنراتورتبدیل می شود وژنراتور انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند واین انرژی الکتریکی از طریق مبدل الکترونیک قدرت در باتری ها ذخیره می گردد. از طرف دیگر موتور الکتریکی از طریق یک مبدل الکترونیک قدرت دیگر انرژی الکتریکی را از باتری ها دریافت می کند وبه انرژی مکانیکی تبدیل می نماید این انرژی مکانیکی از طریق سیستم انتقال قدرت ودیفرانسیل درصورت وجود به چرخ ها منتقل شده وخودرو رابه حرکت درمی آورد.یک کنترلرالکترونیکی،سیگنالهای مناسب برای مبدل الکترونیک قدرت را با توجه به فرمانهای راننده فراهم می کند .
شکل4
در خودروهای هیبرید سری نیز همانند خودروهای برقی با بکارگیری دوموتور الکتریکی و دو کنترلر جداگانه می توان سیستم دیفرانسیل را حذف نمود . همچنین امکان حذف سیستم کلاچ وجعبه دنده نیزوجود دارد. راندمان این طرح بدلیل تبدیل چند مرحله ای انرژی نسبتا پایین می باشد . این تبدیل ها عبارتند از : تبدیل انرژی فسیلی به انرژی مکانیکی ، انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی ، ذخیره انرژی الکتریکی در باتریها و در نهایت تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی .
4- سیستم هیبرید سری ایده آل
دراین سیستم هدف افزایش برد خودرو تا حد یک خودروی احتراق داخلی می باشد در این حالت توان موتور احتراقی وژنراتور همان حداکثر توان مورد نیاز خودرو یا به عبارت دیگر حداکثر توان موتور الکتریکی در نظر گرفته می شود . به این ترتیب میزان شارژ باتریها کاملا ثابت می ماند وخودرو می تواند در موقع لزوم به صورت کاملا الکتریکی وبدون آلودگی مسافت قابل توجهی را طی نماید .
درعمل گرچه این سیستم از نظر افزایش برد وبهبود عملکرد خودرو ایده آل است ، ولی بدلیل حجم ووزن زیادسیستم ناشی از افزایش مجموع توان سیستمهای نصب شده این طرح قابل اجرا نیست .
5- سیستم هیبرید سری جبران ساز توان مصرفی
اگرتوان سیستم احتراقی در حدود متوسط توان مصرفی خودرو باشد ، تازمانیکه خودرو درشرایط کاری متعادل قرار دارد ، توان متوسط مصرف شده از باتری ها توسط سیستم احتراقی جبران می شود وفقط در صورت نیاز به حداکثر توان مابقی از ذخیره باتری ها تامین خواهد شد . به این ترتیب سطح شارژ باتری ها تقریبا ثابت می ماند و به هنگام عملکرد در مرکز شهر که عملکرد بدون آلودگی مورد نیاز است خودرو می تواند برد نسبتا مناسبی داشته باشد . نقطه ضعف این روش متغیر بودن نقطه کار موتور احتراقی است که متناسب با مصرف خودرو در جهت جبران انرژی مصرف شده باید آهنگ تولید انرژی را تغییر داد که موجب آلودگی ومصرف غیر بهینه می گردد.
وزن وحجم این سیستم نسبت به حالت قبل کمتر است ولی قابل اجرا در خودروهای سواری نیست و می تواند در اتوبوسها ، مینی بوسها ، وخودروهای ون (VAN) بکار گرفته شود.هرچند میزان برد خودرو به میزان خودروهای معولی مجهز به موتور احتراق داخلی نمی رسد ، نسبت به خودروهای الکتریکی بطور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد ولی در مقابل خودرو دارای آلودگی بیشتر می باشد .
6- سیستم هیبرید سری جبران ساز شارژ باتری
توان سیستم احتراقی می تواند کسر کوچکی از توان سیستم الکتریکی وبسیار کمتر از متوسط توان مصرفی باشد . بنابراین بدلیل محدود بودن توان ، سیستم احتراقی تنها می تواند به صورت کمکی عمل کند . دراین صورت وزن وحجم سیستم به اندازه کافی کوچک خواهد شد که امکان نصب آنرا در خودروهای سواری فراهم سازد . نقطه کار سیستم احتراقی ثابت بوده وطوری انتخاب می شود که حداقل آلودگی و مصرف سوخت را به همراه داشته باشد . این خودرو نمی تواند عملکرد کاملا الکتریکی داشته باشد ولی بدلیل کوچک بودن سیستم احتراقی سطح آلودگی پایین است . برد خودرو در این طرح نسبت به خودروهای برقی افزایش می یابد ولی نسبت به یک خودروی احتراق داخلی فاصله زیادی دارد و درعوض سطح آلودگی خودرو بسیار پایین تر از خودروهای معمولی می باشد .
7- ویژگی های مختلف هیبرید سری
علاوه بر ویژگیهای ذکر شده برای هر گزینه ، سیستمهای سری بطور کلی دارای ویژگی های مشترک زیر هستند . قابلیت کنترل بسیار ساده بدلیل مجزا بودن موتور الکتریکی وموتور احتراق داخلی از نظر مکانیکی ، تکنولوژی نسبتا ساده بویژه در قسمت کنترلی ومکانیکی ، عدم وجود وضعیت کارکرد درجا ودرنتیجه کاهش آلودگی ومصرف سوخت ،امکان حذف دیفرانسیل ، جعبه دنده وسیستم کلاچ ، راندمان پایین کل سیستم بدلیل تبدیل چند مرحله ای انرژی ، وزن وحجم نسبتا بالا ، سرعت وشتاب نسبتا پایین در حد خودروهای الکتریکی . درجدول (1) مقایسه ای بین سه طرح فوق الذکر انجام شده است . دراین جدول P توان کل نامی مورد نیاز خودرو می باشد .
جدول (1) مقایسه طرح های مختلف خودروهای هیبرید سری از نظر نسبت توان سیستم احتراقی به سیستم الکتریکی .
8- خودرو هیبرید موازی
درخودروهای هیبرید موازی دوسیستم الکتریکی واحتراق داخلی با هم بطور مکانیکی در ارتباط هستند و توان دو منبع توان حرکتی خودرو را تامین می نماید و دراین ساختار ژنراتور حذف شده وموتور الکتریکی وموتور احتراقی از طریق یک سیستم انتقال قدرت به طور مشترک با چرخ های محرک ارتباط دارند و سیستم الکتریکی توسط باتری ها و سیستم احتراق داخل توسط منبع سوخت فسیلی مستقیماً تغذیه می شود. در این خودروها بدلیل اینکه موتور الکتریکی و موتور احتراق داخلی هر دو گشتاور مورد نیاز بار را برای به حرکت درآوردن خودرو فراهم می کنند به خودروهای هیبرید موازی معروف می باشند. از آنجائیکه ژنراتور در این نوع سیستم هیبرید حذف شده است موتور الکتریکی می تواند به عنوان ژنراتور در هنگام ترمز، انرژی ترمزی را بازیابی نموده و برای شارژ باتریها به کار برد نمای کلی یک خودروی هیبرید موازی در شکل (5) نشان داده شده است.
شکل5
شکل (6) بلوک دیاگرام کلی یک خودروی هیبرید موازی را نشان می دهد. در این شکل برای ترکیب گشتاور تولیدی توسط موتور الکتریکی و موتور احتراق داخلی نیاز به یک کوپل کننده گشتاور می باشد که از نظر محل قرار گرفتن این کوپل کننده و طرز کوپل کردن روشهای متفاوتی وجود دارد که به آنها پرداخته می شود.
سیستمهای هیبرید موازی می توانند به دو صورت دسته بندی شوند. یکی از نظر نوع کوپل کردن دو سیستم الکتریکی و احتراقی و دیگری از نظر نسبت توان سیستم الکتریکی به توان سیستم احتراقی. از نقطه نظر نسبت توان سیستم الکتریکی به توان سیستم احتراقی طرحهای زیر برای سیستمهای موازی مطرح هستند.
شکل6
9- سیستم هیبرید موازی ایده آل
در این سیستم، توان سیستم الکتریکی و همچنین توان سیستم احتراقی، توان نامی مورد نیاز خودرو می باشد. در اینصورت خودرو در محیطهای شهری که عدم ایجاد آلودگی اهمیت دارد می تواند تنها با کمک سیستم الکتریکی و در محیطهای خارج از شهر به وسیله سیستم احتراقی به حداکثر عملکرد خود دست یابد. به این ترتیب برد خودرو تا حد یک سیستم احتراقی چه در شهر و در چه در جاده افزایش خواهد یافت.
اگرچه این سیستم دارای مزیت فوق است، چنین ساختاری با فن آوری موجود به دلیل حجم و وزن زیاد عملی نیست.
10-سیستم موازی احتراقی اصلی _ الکتریکی کمکی
در این سیستم وظیفه اصلی تامین توان خودرو بر عهده سیستم احتراقی است و توان آن نزدیک به توان نامی مورد نیاز خودرو است. سیستم الکتریکی به صورت کمکی با توان نسبتاً کم، در مواقعی که موتور احتراقی مجبور به عمل در دورهای بالا و با توان زیاد است. (ناحیه ای که میزان آلودگی زیاد باشد) به کمک سیستم احتراقی آمده و با تقبل بخشی از توان مورد نیاز تا حدی میزان آلودگی را کاهش می دهد. علاوه بر این سیستم الکتریکی می تواند به صورت بخشی از سیستم بازیابی ترمز نیز عمل کند. البته همانطوریکه قبلاً نیز ذکر شد در این نوع سیستم، سیستم الکتریکی طوری عمل می نماید که اکثراً سیستم احتراقی در نقطه کار بهینه قرار گیرد.
11-سیستم موازی احتراقی کمکی _ الکتریکی اصلی
در این نوع سیستم موازی سیستم الکتریکی نقش اصلی را در تامین توان بر عهده دارد و توان آن نزدیک به توان نامی مورد نیاز خودرو است و سیستم احتراقی به صورت کمکی و توان نسبتاً کم در مواقعی همچون سرعت بالا، بالا رفتن از شیب و شتابگیری سریع، به کمک سیستم الکتریکی می آید. به این ترتیب از عملکرد سیستم الکتریکی در این وضعیتها که به شدت میزان شارژ باتری را کاهش می دهد جلوگیری می شود. این سیستم مزایای سیستمهای برقی را دارا است، راندمان مصرف انرژی آن بالا و میزان آلودگی آن در حد بسیار پایین می باشد. سیستم استارت موتور احتراقی می تواند حذف گردد چون وقتی موتور احتراقی وارد عمل می شود که سیستم الکتریکی قبلاً شروع به کار کرده است. در عوض نقطه کارکرد موتور احتراق داخلی بهینه نیست و چون در مواقع محدودیت توان به عملکرد آن نیاز است موظف است با حداکثر توان که بطور نسبی که میزان آلودگی آن بالاست وارد عمل شود. این سیستم برخی محدودیتهای عملکردی خودروهای برقی (سرعت و شتاب) را ندارد و برد آن به طور نسبی بهبود یافته است ولی تا میزان برد خودروهای معمولی احتراقی فاصله زیادی دارد. در جدول (2) مقایسه ای بین سه طرح فوق الذکر انجام شده است در این جدول P توان کل نامی مورد نیاز خودرو می باشد.
تقسیم بندی دیگری از نظر چگونگی ارتباط مکانیکی دو سیستم الکتریکی و احتراق داخلی با چرخهای محرک صورت می گیرد. در برخی سیستمهای موازی گشتاور ایجاد شده توسط دو سیستم الکتریکی و احتراق داخلی با یکدیگر جمع شده و به چرخها منتقل می شود. در دسته دیگر دور منابع تامین کننده توان به وسیله یک دیفرانسیل جمع شده سپس به محور محرک منتقل می گردد و در دسته آخر سیستم الکتریکی روی یک محور سیستم احتراق داخلی روی محور دیگر نصب می شود. و به این ترتیب نیروی کششی ایجاد شده توسط دو منبع با یکدیگر جمع شده و خودرو را به حرکت در می آورد. جدول (2) مقایسه طرحهای مختلف خودروهای هیبرید سری از ظر نسبت توان سیستم احتراقی به سیستم الکتریکی.
جدول2
سیستمهای هیبرید موازی از نظر چگونگی ارتباط مکانیکی دو سیستم الکتریکی و سیستم احتراق داخلی به دو دسته کلی هم محور و غیر هم محور تقسیم بندی می شود. در سیستمهای هیبرید موازی هم محور شافت موتور الکتریکی و موتور احتراق داخلی روی یک محور مشترک قرار گرفته اند. در این سیستم موتور الکتریکی باید دو طرف شافت باشد بدین معنی که باید از هر دو طرف موتور شافت متصل به روتور خارج شده باشد. این سیستم تا کنون در خودروهای مختلفی به کار رفته است که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- خودرو هیبرید چیکو(Chico) ساخت شرکت فلوکس واگن آلمان (موتور احتراقیkw25 و موتور الکتریکی kw6)
- خودروی هیبرید فورد (ford) ساخت شرکت خودروسازی فورد (موتور احتراقی kw50 و موتور الکتریکی kw30)
- خودرو هیبرید اینسایت (Insight) ساخت شرکت هوندا (موتور احتراقی kw50 و موتور الکتریکی kw10)
- سیستم هیبرید موازی هم محور بسته به محل قرار گرفتن سیستم کلاچ به سه دسته تقسیم بندی می شود:
سیستم هیبرید موازی هم محور با یک کلاچ در یک موتور الکتریکی و جعبه دنده:
بلوک دیاگرام این سیستم در شکل (7) نشان داده شده است. برخی از مزایای این سیستم عبارت اند از: مستقل بودن چرخها در زمان درجا و در نتیجه امکان شارژ باتری ها با موتور احتراقی، قدرت نسبتاً بالای سیستم، شتاب نسبتاً خوب سیستم، قابلیت کار به صورت احتراقی تنها.
شکل (7)
از معایب این سیستم می توان به این موارد اشاره نمود: عدم امکان حذف جعبه دنده، قابلیت نسبتاً ضعیف در بازیابی انرژی ترمزی، راندمان نسبتاً پایین در مقایسه با انواع دیگر سیستم های هیبرید، عدم امکان کار به صورت الکتریکی تنها و در نتیجه عدم امکان آلودگی صفر، افزایش تلفات در هنگام ترافیک به دلیل عدم امکان کار به صورت الکتریکی تنها.
سیستم هیبرید موازی هم محور با یک کلاچ در بین موتور الکتریکی و موتور احتراق داخلی:
بلوک دیاگرام این سیستم درشکل (8) نشان داده شده است.
شکل (8)
سیستم موازی هم محور که با یک کلاچ در بین موتور الکتریکی و احتراقی این سیستم دارای مزایا و معایبی بشرح زیر می باشد:
مزایا: قابلیت حرکت با موتور الکتریکی به تنهایی و در نتیجه کاهش تعداد دفعات روشن و خاموش شدن موتور احتراقی به ویژه در زمانهای ترافیک، قابلیت کار به صورت احتراقی تنها، قابلیت بازیابی انرژی ترمزی به صورت کاملتر، افزایش قدرت سیستم، افزایش شتاب سیستم و قابلیت حذف جعبه دنده.
معایب: افزایش وزن و حجم به علت بزرگتر بودن موتور الکتریکی و حجم بیشتر باتری ها نیاز به سیستم کلاچ اتوماتیک.
سیستم هیبرید موازی هم محور با دو کلاچ در دو طرف موتور الکتریکی:
بلوک دیاگرام این سیستم در شکل (9) نشان داده شده است.
شکل (9)
سیستم موازی هم محور با دو کلاچ در دو طرف موتور الکتریکی
این سیستم دارای مزایا و معایبی است که برخی از آنها در زیر آمده اند:
مزایا: مستقل بودن چرخها در زمان درجا و در نتیجه قابلیت شارژ باتری ها توسط موتور احتراقی در این زمان، قابلیت حرکت با موتور الکتریکی به تنهایی و در نتیجه کاهش تعداد دفعات روشن و خاموش شدن موتور احتراقی، کاهش حجم موتور احتراقی و در نتیجه افزایش راندمان و کاهش آلودگی، قدرت و شتاب نسبتاً بالا، قابلیت بازیابی انرژی ترمزی، قابلیت حذف جعبه دنده و قابلیت کار به صورت فقط احتراقی.
معایب: افزایش مولفه های فعال مکانیکی و در نتیجه افزایش تعمیرات و نگهداری، افزایش وزن کل سیستم، پیچیدگی عملکرد سیستم و در نتیجه کنترل مشکل تر، افزایش قیمت و هزینه و نیاز به سیستم کلاچ اتوماتیک.
حال به بررسی سیستم موازی غیر هم محور پرداخته می شود. در این سیستم با استفاده از چرخ دنده ها یا هر سیستم ترکیب کننده دیگر دو سیستم تولید کننده نیرو یعنی سیستم الکتریکی و سیستم احتراق داخلی با هم کوپل می شوند. چند نمونه از این نوع اتصال در ادامه آورده شده است:
سیستم موازی غیر هم محور با ترکیب کننده قبل از جعبه دنده:
بلوک دیاگرام این طرح در شکل (10) نشان داده شده است. در این طرح دو موتور الکتریکی و احتراقی بوسیله یک سیستم چرخ دنده سیاره ای به هم کوپل می شوند و سپس برآیند نیرو وارد جعبه دنده می شود. اشکال عمده این طرح عدم هماهنگی و همزمان نبودن دو موتور الکتریکی و احتراقی می باشد، چون موتور احتراقی با دور بالا و موتور الکتریکی با دور پایین کار می کند.
شکل (10) سیستم موازی غیر هم محور با ترکیب کننده قبل از جعبه دنده
این طرح دارای مزایا و معایبی بشرح زیر است:
مزایا: شتاب و قدرت نسبتاً بالا به دلیل امکان کار همزمان دو سیستم الکتریکی و احتراقی، قابلیت شارژ باتریها توسط موتور احتراقی در زمان درجا، امکان کار به صورت فقط احتراقی امکان حرکت به صورت الکتریکی به تنهایی و امکان کنترل گشتاور روی محور به دلیل وجود جعبه دنده بعد از سیستم ترکیب کننده.
معایب: تفاوت دو موتور الکتریکی و موتور احتراقی و در نتیجه نیاز به سیستم الکتریکی پیچیده برای همزمان نمودن آنها، مشکل بودن بازیابی انرژی ترمزی.
سیستم موازی غیر هم محور با ترکیب کننده بعد از جعبه دنده:
بلوک دیاگرام این طرح در شکل (11) نشان داده شده است. در این طرح قدرت موتور احتراقی داخلی توسط سیستم جعبه دنده با موتور الکتریکی هماهنگی می باشد و دو موتور موازی با یک چرخ دنده سیاره ای به هم کوپل می شوند و جمع دو قدرت به چرخها انتقال می یابد که از مزایای این طرح می باشد اشکال این طرح قرار گرفتن جعبه دنده قبل از سیستم چرخ دنده سیاره ای می باشد بنابراین در حالت سکون موتور الکتریکی نمی تواند به صورت ژنراتور کار کند.
این طرح دارای مزایا و معایب به شرح زیر است:
مزایا: شتاب و قدرت نسبتاً بالا به دلیل امکان کار همزمان دو سیستم الکتریکی و احتراقی ساده تر بودن سیستم مکانیکی نسبت به طرح قبل به دلیل وجود جعبه دنده قبل از کوپل کننده به عبارت دیگر ساده تر بودن عمل همزمانی دو موتور، امکان کار به صورت فقط احتراقی، امکان کار به صورت الکتریکی به تنهایی و امکان بازیابی انرژی ترمزی.
معایب: عدم امکان شارژ باتریها توسط موتور احتراقی درزمان درجا و عدم امکان کنترل گشتاور روی محور بطور معمول.