پايان نامه بررسي سيستم انتقال قدرت در خودروهاي برقي و مقايسه آن با سيستم انتقال قدرت در خودروهاي احتراق داخلي
چكيده :
اين پروژه بر اساس تحقيق و طراحي يكي از برنامه هاي اصلي صنعت در چند ساله اخير در مورد خودروهاي برقي تهيه و تدوين شده است واين پروژه به بررسي سيستم انتقال قدرت در خودروهاي برقي و مقايسه آن با سيستم انتقال قدرت در خودروهاي احتراق داخلي مي پردازد .
سالهاي ابتدايي ساخت خودروهاي برقي به سال 1900 ميلادي بر مي گردد كه در آن زمان از يك طرف به علت مشكلاتي كه موتورهاي الكتريكي دارا بودند و از طرف ديگر اكتشاف جديد نفت و توليد فراوان آن در پيشرفت چشمگير موتورهاي احتراق داخلي ساخت اين خودروها مورد توجه قرار نمي گرفت . ولي با به وجود آمدن جنگهاي جهاني و كشمكش هاي بر سرنفت باعث شد اين ماده ارزش بيشتري پيدا كند و توجه ها بيشتر به خودروهاي برقي جذب شود و اين بود كه از سال 1990 ميلادي توليد خودروهاي برقي به طور جدي تري مورد توجه قرار گرفت .
در خودروهاي برقي سيستم تأمين قدرت شامل يك موتور الكتريكي ، كنترلر ، باتريها و شارژر آن مي باشد مجموعه محرك برقي خودروي برقي وظيفه دارد جريان مستقيم توليد شده توسط باتري را به انرژي مكانيكي تبديل نمايد كه منظور از مجموعه محرك كليه قطعاتي است كه جريان مستقيم باتري ها را به نيروي كششي و گشتاور لازم براي حركت چرخها تبديل مي كنند از مهمترين ويژگيهاي خودروي برقي برد و قدرت حركت (‌شتاب ، سرعت ، شيب روي ، و بارگيري و انعطاف پذيري) و مدت شارژ و قيمت بالاي باتريها در اغلب خودروهاي برقي موجود مجموعه محرك است .
بخش اول:
نحوة تأمين انرژي و عملكرد خودروي برقي
مقدمه :
به علت پيشرفت روز افزون صنعت خودرو و توليد انبوه خودروهاي احتراق داخلي که مشکلات گوناگوني از قبيل آلودگي هوا بوجود مي آورد و نيز محدود بودن ذخاير سوخت فسيلي و گران بودن آن تحقيق و طراحي در مورد خودروهاي برقي به يکي از برنامه هاي اصلي صنعت خودرو مخصوصاً در کشورهاي پيشرفته اروپايي و آمريکايي بدل شده است ايران نيز در چند ساله اخير تحقيقاتي در اين زمينه انجام داده است شرکتهاي ايران خودرو، سايپا و کيش خودرو تحقيقات در اين زمينه را ادامه مي دهند اين تحقيقات به توليد نمونه هايي در شرکتهاي ايران خودرو و سايپا منجر شده که در نمايشگاههاي خودرو به معرض ديد عموم قرار گرفته است شرکت کيش خودرو نيز در حال ساخت خودرو برقي نمونه مي باشد.
اين پروژه به بررسي سيستم انتقال قدرت در خودروهاي برقي و مقايسه آن با سيستم انتقال قدرت در خودروهاي احتراق داخلي مي پردازد.
فصل اول : خصوصيات خودروي برقي
در اين فصل پس ازمعرفي و تعريف خودروي برقي و شرح مختصري در مورد تاريخچه خودرو برقي به بررسي مزيتهاي اين نوع خودرو مي پردازيم ابتدا مزيت خودروي برقي از نظر نوع انرژي و سپس مزيت تجهيزات الکتريکي مورد استفاده و مشکلات موجود در خودروي برقي مي پردازيم .
1-1- تعريف خودروي برقي
در يک خودروي برقي مجموعه محرک برقي آن وظيفه دارد جريان مستقيم توليد شده توسط باتري را به انرژي مکانيکي تبديل نمايد منظور از مجموعه محرک کليه قطعاتي است که جريان مستقيم باتريها را به نيروي کششي و گشتاور لازم براي حرکت چرخها تبديل مي کنند مهمترين ويژگي خودروهاي برقي عبارتند از : برد و قدرت حرکت (شتاب ، سرعت ، شيب روي و بارگيري و انعطاف پذيري ) و مدت شارژ و قيمت بالاي باتريها ، در اغلب خودروهاي برقي موجود مجموعه محرک تشکيل شده است از کنترلر (عضو تنظيم کننده) ، موتور الکتريکي ، جعبه دنده با نسبت کاهنده روي اکسل ها و جعبه تقسيم براي دو يا چهارچرخ ، راه حل هاي ديگر نيز بکار رفته اند بطور مثال دو موتور همراه با جعبه دنده و يا بدون جعبه دنده . مجموعه محرک بايد خواسته هاي متعدد و متنوعي را برآورده کند که از آنها بعنوان معيار براي ارزيابي و مقايسه راه حل هاي مختلف استفاده مي شود بطور مثال برخي از مهمترين اين معيارها عبارتنداز :
– کاربري ساده
– راندمان بالا
– هزينه پايين
– اطمينان بالا
– عدم نياز به سرويس و نگهداري
– وزن کم
– حجم ساختماني کم
بايد توجه داشت که نمي توان همه اين معيارها را به خوبي در يک مجموعه محرک جمع نمود بطوريکه عموماً راندمان بالا با هزينه پايين متضادند علاوه براين بايستي توجه داشت که انواع خودروهاي مختلف مراکز خواسته ها را تعريف مي کنند بطور مثال در خودروي باري برقي حجم ساختماني نقش کم اهميت تري پيدا مي کند.
1-2- تاريخچه توليد خودروي برقي و مزيت آن نسبت به خودرو احتراقي خودروي برقي از حدود سال 1900 ميلادي توليد مي شده است و تا سال 1915 روند توليد افزايش نسبتاً خوبي داشته است به دليل مشکلاتي که موتورهاي الکتريکي داشتند توليد خودرو برقي مورد استقبال قرار نگرفت اکتشافات جديد نفت و توليد فراوان آن همچنين پيشرفت چشمگير موتورهاي احتراق داخلي سالهاي 1915 الي 1990 را در انحصار خودروهاي با موتور احتراقي در آورد . بروز جنگهاي جهاني ، جنگها و کشمکش هايي که نفت موضوع اصلي يا مورد استفاده آنها بود باعث شد که به ارزش واقعي اين ماده پي برده شود و قيمت آن افزايش يابد اکنون که منابع جديد و قابل توجه نفت کشف نشده است و پيش بيني مي شود ذخائر نفت به اتمام برسد، کشورهاي صنعتي به استفاده از منابع ديگر انرژي ترغيب شده اند انرژي خورشيدي ، باد، سدهاي آبي و انرژي هسته اي منابع جديد تأمين انرژي هستند و براحتي به انرژي الکتريکي تبديل مي شوند از سال 1990 توليد خودروي برقي مورد توجه قرار گرفت چون خودروها که يکي از منابع عمده مصرف انرژي هستند مي توانند به مصرف انرژي هستند مي توانند به مصرف کننده الکتريسيته تبديل شوند با پيشرفت فن آوري ساخت موتورهاي الکتريکي ، خودروهاي برقي داراي مزيت نسبي نسبت به خودروهاي معمولي شده اند در خودروهاي برقي سيستم تأمين قدرت شامل يک موتور الکتريکي ، کنترلر ، باتريها و شارژر آن مي باشد همه اين تجهيزات پيشرفت چشمگيري داشته اند بطوريکه تعميرات به حداقل مي رسد خودرو معمولي شامل موتور احتراق داخلي با سيستم پيچيده اي است و تجهيزاتي به آن اضافه مي شود. مانند :
1- تجهيزات خروج و تصفيه دود شامل انباره ، اگزوز و …
2- سيستم سرمايش موتور شامل رادياتور، پمپ آب ، محفظه سرمايش ، ترموستات و سنسورها
3- سيستم توليد جرقه شامل دلکو ، شمع ها و …
4- سيستم سوخت رساني شامل کاربراتور پمپ سوخت رساني ، سيستم تزريق ، سوخت داخل سيلندر ، فيلترهاي هوا و سوخت .
5- سيستم مکانيکي موتور شامل ميل لنگ ، پيستونها ، رينگهاي آب بندي ، پمپ روغن ، چرخ زنجير، واشرهاي آب بندي و استارتر. اين تجهيزات احتياج به سرويس و تعميرات مداوم دارند در حاليکه در خودرو برقي تجهيزات پيچيده اي وجود ندارد.
1-3- انواع موتورهاي الکتريکي و مقايسه آنها
موتورهاي الکتريکي داراي استاتور يا قسمت ساکن و روتور يا قسمت متحرک هستند موتورهاي الکتريکي فقط داراي يک قسمت متحرک هستند در حاليکه موتورهاي احتراقي قطعات متحرک زيادي دارند راندمان اين موتورها بالاست و اغلب بيش از 90% است انواع موتورهاي الکتريکي را مي توان در محدوده وسيع قدرت و در اندازه هاي مختلف و شکلهاي مختلف از نوع dc يا ac طراحي کرد.
موتور الکتريکي وسيله مکانيکي است که انرژي مکانيکي را به حرکت تبديل مي نمايد و اين حرکت مي تواند براي توليد کار ، کشيدن ، هل دادن ، بالا بردن ، تکان دادن يا ايجاد نوسان بکار رود.
موتور الکتريکي از قوانين کلاسيک و مغناطيس استفاده مي نمايد هر کدام از انواع موتورها داراي مشخصه هاي سرعت ، گشتاور و مشخصه برقي خاص هستند و براي استفاده در خودرو برقي داراي مزايا و معايبي مي باشند انواع موتورهاي برقي مناسب براي استفاده در خودرو برقي که به صورت انبوه توليد مي شوند به طور اختصار معرفي مي گردد.
1-3-1- موتورهاي الکتريکي جريان مستقيم
در اين نوع موتورها جريان اصلي از کويل هاي هسته عبور مي نمايد و باعث چرخش هسته و ايجاد گشتاور در آن مي گردد استاتور شامل قطب هاي آهن ربايي است هسته شامل شافت اصلي موتور و چند کويل است هر يک از کويل ها به کويل بعدي متصل است و جريان در کل آنها وجود دارد البته نوع اتصال کويل ها به يکديگر خواص مختلفي ايجاد مي نمايد که انواع مختلف موتورهاي dc را به وجود مي آورد.
1- سري
2- شانت : در اين نوع موتور به علت وجود کوماتاتور متحرک جريان در آرميچر مرتباً تغيير جهت مي دهد.
3- ترکيبي : که ترکيب نوع 1 و 2 مي باشد.
4- با مغناطيس دائم
5- بدون جاروبک
6- جامع
مدار جريان در کويل انواع مختلف موتور dc و مشخصه هاي هر کدام از اين نوع موتورها در شکل 1-1 ترسيم شده است.
موتورهاي جريان مستقيم عموماً داراي مدار اينورتر ساده و ارزان با قابليت بسيار بالا مي باشند و سرعت موتور به راحتي قابل کنترل است وزن و حجم زياد ، قيمت بالا پيچيدگي ساخت ، هزينه تعمير و نگهداري بالا ، راندمان پائين و وجود جاروبک از معايب اين موتورها مي باشد در موتورها بدون نگهداري بالا ، راندمان پايين و وجود جاروبک از معايب اين موتورها مي باشد در نوع موتور بدون جاروبک که جاروبک وجود ندارد ، کنترل سرعت براحتي انجام مي شود و موتور داراي دانسيته قدرت بالا مي باشد اين نوع موتور در سرعتها بالا کاربرد دارد حجم موتور کم و نويز نسبت به موتورهاي ديگر کمتر مي باشد عيب اين نوع پيچيده بودن ساخت موتور و قيمت بالاي آن است.
1-3-2- موتورهاي الکتريکي جريان متناوب
جريان ac خصوصيات خوبي دارد از جمله مي تواند در ولتاژهاي بالا به راحتي انتقال يابد و با وجود ترانسفورماتور تبديل مقدار ولتاژ نيز به راحتي انجام مي شود به علت در دسترس بودن اين نوع موتور براي خودرو برقي نيز بيشتر استفاده مي گردد.
مهمترين و پراستفاده ترين موتور ac ، موتور قفسه اي است در اين نوع موتور که اساس آن مانند يک ترانسفورماتور متحرک است وجود جريان در سيم پيچ استاتور باعث القاء جريان در سيم پيچ هسته مي شود بنابراين نيروهاي حاصل از ميدان جريان در هسته باعث چرخش آن و توليد گشتاور مي شود.
مهمترين خصوصيات موتور القائي قفسه اي به شرح زير است :
1- هيچگونه جاروبک يا کوماتاتوري نياز نمي باشد.
2- داراي کمترين تعميرات لازم است .
3- مناسب باري کار در محيط هاي کثيف است .
4- قابليت اطمينان بالا دارد .
5- راندمان بالا دارد.
6- سختي و عمر بالا.
7- هزينه ، وزن ، حجم و ممان اينرسي کم .
ذيلاً در مورد سه نوع موتور جريان متناوب که براي استفاده در خودروي برقي در نظر گرفته شده توضيحات بيشتري داده مي شود.
1- موتورهاي سنکرون يا مغناطيس دائم
در اين نوع موتور دانسيته قدرت بالا است به دليل کنترل جريان و ميدان استاتور، گشتاور بيشتري مي توان توليد کرد جاروبک وجود ندارد و در سرعتهاي بالا و محدوده وسيع سرعت قابل استفاده است .
2- موتورهاي القائي سه فاز
ساخت موتور ساده است اين موتور سبک، مقاوم ، کم حجم ، ارزان و داراي راندمان بالا مي باشد و نيازي به جاروبک ندارد البته براي کنترل سرعت بايد از سيستم کنترل پيچيده اي استفاده نمود و اين سيستم قيمت بالايي خواهد داشت.
3- موتورهاي شار محوري :
اخيراً موتورهاي (Afm,Axial flux motor) يا موتورهاي شار محوري نيز ساخته شده اند که داراي دو مدل استفاده از موتور در داخل چرخ خودرو (whell motor) و يا موتورهاي با دو روتور و يک استاتور به صورتي که موتور به جاي ديفرانسيل خودرو نصب مي شود مي باشند. البته دو موتور اخير نياز به فن آوري بالاتري براي ساخت و استفاده کردن داشته و قيمت بالاتري نيز دارند ولي بازده و عملکرد آنها بهتر از موتورهاي القائي و PMSM معمولي مي باشد دور موتور حداقل 3000 تا 3800 دور مي باشد.
1-4- باتريهاي قابل استفاده در خودرو برقي
ظرفيت و مقدار جريان دو فاکتور مشخصه باتريها هستند ظرفيت مقدار انرژي ذخيره شده در باتري است و به فاکتورهاي زيادي وابسته هستند که مهمترين آنها عبارتند از:
1- سطح يا اندازه فيزيکي صفحاتي که توسط اکتروليت پوشيده مي شوند.
2- وزن و مقدار مواد در صفحات
3- تعداد صفحات و نوع جدا کننده بين آنها
4- مقدار الکتروليت و جرم مخصوص آن
5- سن باتري
6- شرايط سلول – مقدار رسوب در ته سلول
7- دما
8- حد ولتاژ پاييني
9- نرخ دشارژ
ظرفيت باتري برحسب آمپر- ساعت مشخص مي شود جريان مشخصه ديگري باتري است و برحسب آمپر مي باشد مقدار جريان تعيين کننده نرخ انرژي هنگام شارژ يا دشارژ مي باشد بطور مثال براي يک باتري 100 آمپر ساعت با جريان يک آمپر زمان دشارژ 100 ساعت مي شود و اين باتري با جريان 100/C مشخص مي گردد.
شايد تنها ضعف خودرو برقي باتريهاي آن باشد به علت چگالي کم انرژي ذخيره شده در باتري بايد از تعداد زيادي باتري استفاده نمود که وزن خود را افزايش داده انرژي اضافه اي براي حمل اين وزن مصرف مي شود و مسافت پيموده شده در مقايسه با خودروهاي احتراقي کمتر است همچنين شارژر اين باتريها زمان برخواهد بود هزينه بالايي نيز صرف خريد باتريها خواهد شد اگر باتري هاي مناسبي براي خودرو ساخته شود که مشکلات فعلي را نداشته باشد يقيناً خودروهاي با موتور احتراق داخلي کنار گذاشته مي شوند.
انواع باتريهاي شيميايي ساخته مي شوند از جمله باتريهاي سرب اسيدي، نيکل کادميوم، نيکل آهن ، نيکل منگنز ، سديم سولفور و روي برم ، باتريهاي سديم سولفور بيشترين دانسيته انرژي حدود Wh/kg 150 را دارا مي باشد اما قابل انفجار هستند باتريهاي سرب اسيدي کمترين چگالي انرژي در حدود Wh/kg35 را دارا مي باشند اما به علت عمر عملکرد خوب در حدود 750 سيکل شارژ و قابليت اطمينان بالا و قيمت مناسب بيشترين استفاده مي شوند.
سيستم ذخيره انرژي الکتريکي :
در بلوک دياگرام شکل زير انواع مختلف سيستم هاي ذخيره انرژي الکتريکي نشان داده شده است در خودروهاي برقي معمولاً از باتريهاي شيميايي استفاده مي شود که در زير پارامترها و مشخصات کلي مربوط به باتريهاي مورد استفاده در خودرو برقي آورده شده است .
بلوك دياگرام سيستم هاي ذخيرة انرژي
زمان شارژ کامل :
زمان شارژ براي باتريهاي مختلف يکسان نبوده و به نوع باتري و نحوه شارژ بستگي دارد براي باتريهاي سرب اسيدي 4 تا 8 ساعت li-ion حدود 5 ساعت ، Nimh حدود 8-6 ساعت مي باشد.
نوع شارژ
شارژ مي تواند توسط دو روش Inductive يا Conductive انجام شود همچنين برق تغذيه کننده مي تواند يک فاز يا سه فاز ايزوله باشد توان حدود KW6 و ولتاژ خروجي حداکثر V388 و جريان خروجي مي تواند تا A15 باشد.
شارژ مي تواند داراي دو mode آرام و سريع باشد مقاوم در مقابل رطوبت تا 80% وزن ، kg6 ، حفاظت هاي ولتاژ ورودي و خروجي بصورت الکترونيکي و حفاظت جريان ورودي و خروجي بصورت بي متالي و الکترونيکي کليد IF و فاز بالانس ، حفاظت در مقابل اتصال کوتاه ، سيستم خنک شدن با هوا ، داراي سلف رگولاتور براي حذف هارمونيک ورودي محل نصب کنار صندوق عقب خودرو ساخت داخل قيمت يک شارژ معمولي سه فازه با حجم و وزن کم حدود نه ميليون ريال مي باشد لازم به تذکر است که شارژرهاي سوئيچينگ با ورودي برق تک فازه در خارج کشور طراحي شده است کار بر روي اين شارژرها در ايران شروع شده و به نتيجه نهايي نرسيده است در هر حال يک شارژر سوئيچينگ با ورودي تک فازه و قدرت حدود 6 کيلووات قيمت توليد انبوه آن نمي تواند بيش از 5 ميليون ريال باشد.
مصرف برق در هر بار شارژر باتري ها
اين ميزان مي تواند بسته به ظرفيت باتري ها و تعداد آنها و برد خورو و تلفات خودرو و غيره مقادير مختلفي داشته باشد مثلاً در خودرو برقي پيکان با توجه به اينکه ظرفيت باتري براي 2 ساعت دشارژ A-h,C2 و C2=36/7 و تعداد باتري ها 28 عدد و ولتاژ هر يک 12 مي باشد ميزان انرژي در هر دشارژ تا شارژ کامل برابر خواهد بود با
P=7/36 × 12 × =28 33/12 Kwh
عمر باتريها
بسته به نوع باتري مورد استفاده در خودرو و مشخصات ارائه شده توسط کارخانه سازنده ، عمر باتريها متفاوت است بعنوان مثال در مورد باتريهاي سرب اسيدي پوشيده در صورتي که هر دفعه تا نصف ميزان انرژي دهي مجازش دشارژ و مجدداً شارژ گردد قادر است تا 1000 مرتبه و در صورتي که از کل انرژي دهي باتري استفاده شود تا 500 مرتبه شارژ و دشارژ کار کند باتريهاي انتخابي مي تواند از نوع سرب اسيدي سيلد با ابعاد 235×140×238 ميليمتر ، 27 عدد باتري با ظرفيت A-h 48C2= وصل شده بصورت سري V324-12×27 و با وزن کل Kg467=3/17×27 مي باشند جنس بدنه آنها پلاستيک ضد ضربه ساخت شرکت Sec با امکان ساخت داخل و محل نصب کاپوت جلو و صندوق عقب و در محل باک بنزين مي باشد قيمت هر باتري حدود 3000000 ريال مي باشد البته با توليد انبوه به تعداد زياد اين قيمت مي تواند تا 200000 ريال نيز کاهش يابد.
نوع باتري
تاکنون باتري متفاوتي از سري کارخانه هاي سازنده خودرو برقي مورد استفاده قرار گرفته است جدول(1)4 نوع از باتريهاي مورد استفاده و بعضي از مشخصات آنها را نشان مي دهد.
نوع باتريسرب اسيدي
پيشرفتهMetal nichel
hydrideLihium ionLihium polymerانرژي مخصوص wh/kg40-3560-5090-80100چگالي انرژي wh/l70175200توان مخصوص W/KG150-1002001000>200عمر بر اساس شارژ و دشارژ کامل 500-3001000-600300-200قيمت US S KWH150-100400-300انتخاب نوع باتري به عوامل مختلف چون ميزان فضاي خودرو ، قيمت خودرو، برد خودرو و عمر پيش بيني شده براي خودرو و غيره بستگي دارد ايران به علت اينکه فن آوري باتري هاي سرب اسيدي موجود بوده و قيمت تمام شده آنها خيلي کمتر از باتري هاي ديگر مي باشد از باتري هاي سرب اسيدي استفاده شده است البته براي جلوگيري از تعمير و نگهداري اضافه مي توان از باتريهاي ژله اي (سيلد) استفاده نمود در جدول(2) بعنوان نمونه ، چند نوع باتري مورد استفاده در خودروهاي برقي ساخته شده آورده شده است.
1-5- سيستم هاي توليد و انتقال نيرو براي خودروهاي الکتريکي توليد انبوه
در اين بخش به معرفي سه نوع سيستم که در توليد انبوه خودروهاي برقي بيشتر مورد استفاده و تحقيق قرار گرفته اند مي پردازيم :
جدول (2) : مشخصات باتري هاي مورد استفاده از چند نوع خودرو برقي

1-5-1- خودرو برقي با موتور جريان مستقيم dc
براساس تجارب حاصل در طول سالهاي متمادي توسط گروه کلريد و صنايع لوکاس که در انگلستان تأسيس شده بود و با کمک مالي وزارت تجارب و صنعت انگلستان سرمايه گذاري شد هدف مشخص اين بود که يک سري خودرو برقي با کارائي زياد و با همکاري سازندگان خودروهاي معمولي ساخته شود.
هر دو کمپاني مادر ، سيستم هاي انتقال نيروي dc که بطور جداگانه تحريک مي شدند را پيگيري کرده و هر دو کمپاني نيز تجاربي در سيستم هاي انتقال نيروي بدون جاروبک داشته اند سيستم هاي انتقال نيرو که توسط هر يک از اين شرکتها پيگيري مي شد از موتورهاي dc تحريک جداگانه به دلايل مشابه استفاده مي شد و شامل عکس العمل بهتر سيستم تحريک مجزا در شرايط خطا ، وجود مشخصه نيرو – سرعت قابل انعطاف تر و کارائي و قابليت بيشتر کار تحت شرايط جريان dc مي شد بيشتر کوشش براي ساخت معطوف به بهبود سيستم موجود گرديد که منجر به توليد سيستم کنترل دو ترانزيستوري (خروجي 160 ولت ، 50 کيلو وات) و سيستم چهار ترانزيستوري (خروجي 216 ولت ، 40 کيلو وات) گرديد.
سيستم انتقال بايد امکان نصب بر روي خودرو را در خط توليد کارخانه سازنده داشته باشد سيستم بايد قابليت اتکاء کافي داشته و نيازهاي کاري سازنده خودرو را برآورده نمايد بايد توانايي داشته باشد که به نرخ مورد نظر ساخته شده و قبل از ارائه به سازندگان خودرو کاملاً توسعه يافته باشد تجارب عملي نشان داده است که يک موتور کششي dc اگر بطور صحيح طراحي و ساخته شده باشد محصول با قابليت اتکاء بالايي مي باشد بهبود قابليت سيستم ، با جايگزيني موتور بدون جاروبک به جاي موتور dc کم بوده و انتخاب موتور براي نسل بعدي سيستم انتقال بر مبناي هزينه موتور و هزينه اتصال بني موتور و سيستم کنترل خواهد بود آناليز کامل قيمت خودرو و نيز مواردي را نشان مي دهد که مي توانند بهبود يابند و مشخص ترين خصوصيات اين تحليل اقتصادي را به شرح زير خلاصه مي نمائيم.
1- يکپارچه نمودن مکانيکي تجهيزات الکترونيکي ، تبديل کننده dc/dc ، وسيله سنجش حالت شارژ، عايق بندي باتري ، مبدل هاي مغناطيسي پدال و شارژر
2- حذف قطعات الکترو مغناطيسي از قبيل رله ها ، کنتاکتورها و امتحان کننده کنتاکتور به عنوان قطعات فعال در سيستم انتقال
3- به حداقل رساندن اتصالات برقي
4- به حداقل رساندن قطعات الکترونيکي
5- حذف وابستگي به تغذيه نيروي 12 ولت خودرو
نتيجه گيري:
تجزيه ايکه در رابطه با مسائل مربوط به انتقال طرح سيستم خودرو و از آزمايشگاه به توليد به دست آمد و تجربه ايکه پيرو ميليون ها مايل کاريابي سيستم ها در ميدان بدست آمد تصوير روشني از نيازهاي آتي سيستم انتقال نيرو که بايد مشخص گردد ارائه داده است خودروهاي برقي آينده بر سيستم انتقال نيرويي که از موتور dc و ترانزيستور به عنوان عضو اصلي اتصال نيرو استفاده مي کند پايه گذاري مي گردد سيستم انتقال نيروي بدون جاروبک ، رقيب واقعي در دراز مدت نخواهد داشت ولي در کوتاه مدت و ميان مدت مناسب
نمي باشد زيرا مقدار توليد مربوطه نمي تواند زمان تهيه و توليد ارزانتر از سيستم انتقال نيروي dc شاخته شده را توجيه نمايد.
1-5-2- خودرو برقي با موتور جريان متناوب ac
شرکت ايتون داراي دانش و تخصص در زمينه تبديل نيرو ، انتقال و کنترل اتوماتيک مي باشد کارهاي قبلي مزاياي سيستم جلو برنده AC نسبت به DC را به ثبوت رسانيد موتور AC سبک تر ، کارآمدتر ، ارزانتر و داراي سرعت زيادتر ، مزيت هاي بيشتري براي کاربردهاي کششي خودرو دارد وجود ميکرو پروسسور و ترانزيستورها تأمين قدرت را براي موتورهاي AC عملي مي سازد برنامه هاي قبلي ، قابليت انجام اين نوع سيستم جلو برنده را در يک اتومبيل سدان (چهار نفره ) با چرخهاي محرک در جلو خودرو نشان داد .
تجربه قبلي سيستم انتقال قدرت الکتريکي ايتون مزاياي موتورهاي کششي AC شامل وزن سبک ، سرعت بالا ، طرح کاملاً بسته و کارائي بالا را نشان داد يک طرح موتور سه فاز القائي کاملاً انعطاف پذير بوده و به سادگي توليد انبوه مي شود موتورها مي توانند توسط هوا يا روغن خنک شوند و بطور قابل توجهي در ضريب طول به عرض بدون اشکال جدي در نحوه کار متفاوت قابل ساخت هستند و انواع با سرعت زياد ، مشکل زيادي براي توليد نخواهد داشت در مورد مبدل نيز مشکل اساسي وجود ندارد تقريباً تمامي مبدل ها در اين طبقه نيز ترانزيستوري هستند طرح هاي قبلي که از ترانزيستور استفاده کرده اند به سادگي با قطعات ترانزيستوري جايگزين گرديده اند ترانزيستوري هاي با قدرت بالا در اندازه هاي مورد نياز سيستم وجود دارند دستگاههاي تک بسته اي (يک تکه ) با درجه 500 آمپر تا ولتاژ 500 موجود مي باشند مبدل سه فاز اصلي شامل شش عدد از اين دستگاههاي اتصال مي باشد .
رابطه بين قطعات :
يکي از مشکل ترين پارامترها ولتاژ اسمي باطري است که بسياري از مشخصه هاي سيستم تحت تأثير مقدار آن قرار گيرند براي يک سطح نيروي مشخص ، ولتاژ و جريان بطور معکوس تغيير مي کنند براي دستگاههاي اتصال مانند ترانزيستورها ، تعيين سرعت و ارزيابي جريان بالا پرهزينه تر از قابليت ولتاژ بالا مي باشد در مورد باتريها ، ولتاژ زيادتر باعث اضافه شدن سلولهاي بيشتر ، افزايش درصد متريال غيرفعال و کاهش ظرفيت انرژي پتانسيل مي شود بدين ترتيب مبدل و باتري با توجه به ولتاژ عمليات مغاير مي باشد.
موتور / اکسل
پارامتر بحراني بين موتور و اکسل، سرعت مي باشد موتورهاي سرعت بالا سبکتر و کوچکتر هستند ولي شافت ها و دنده هاي سرعت بالا داراي افت چرخشي زيادتري هستند براي يک توان مشخص ، گشتاور و سرعت به طور عکس متناسب مي باشند يعني هر چه سرعت زيادتر باشد موتور با گشتاور کمتري کار مي کند شافتهاي سرعت بالا که با سطح گشتاور پائين کار مي کنند به ساچمه هاي کم سايش در ياتاقانها نياز دارند تا از افت مؤثر نيرو جلوگيري شود همچنين روغن کاري و دنده ها در سرعت بالا بحراني مي شود بنابراين موتور و اکسل با توجه به سرعت متضاد مي باشند سرعتهاي موتور از 4000 تا 15000 دور در دقيقه با اثرات مربوطه بر روي شافت ارزيابي گرديده اند نتيجه سيستم فوق به اين صورت است پيچيدگي کمتر در مقايسه با موتورهاي dc قابليت راندمان بهتر و افزايش بازده انرژي جزء مزايايي است که مي توان به وسيله کنترل کامپيوتري سيستم انتقال قدرت در خودروهاي برقي بدست آورد.
1-5-3- خودروهاي دو منظوره
در خودروهاي دو منظوره دو نوع موتور به حالت مجتمع قرار دارند که به صورت اتوماتيک يکي يا هر دو عمل مي نمايند در ترافيک آهسته و سنگين شهرها از موتور الکتريکي و در اتوبانها از موتور احتراق داخلي و در زمان شتاب گيري از هر دو استفاده مي گردد اين خودروها ممکن است داراي المان ذخيره کننده انرژي مانند باتري ، چرخ لنگر يا نوعي خازن که بتواند مقداري از انرژي ترمز کردن را براي شتاب دوباره ذخيره کند باشند اين مسائل باعث پيچيده شدن طراحي و ساخت اين خودرو شده است .
انواع ديگر خودروي دو منظوره نوع سري و نوع موازي مي باشند اين دو نوع خودرو اساساً با استفاده از موتور احتراق داخلي عمل مي کند در نوع سري از موتور الکتريکي جهت بهتر کردن عملکرد خودرو استفاده مي شود لذا انرژي ترمز کردن مي تواند مورد استفاده قرار گيرد در نوع موازي از موتور الکتريکي جهت کوچکتر نمودن موتور احتراقي استفاده مي شود و از آن مي تواند به صورت ارزان براي ايجاد نيرو بر روي چهار چرخ استفاده نمود و از انرژي زمان ترمز کردن نيز استفاده مجدد کرد در اين دو نوع خودرو از موتور الکتريکي تنها در جهت بهينه نموده عملکرد خودرو استفاده شده است .
شكل 1: ارتباط تجهيزات در خودرو برقي دو منظوره
الف: نوع موازي ب: نوع سري
1-6- مشکلات تحقيقاتي و نتيجه گيري
زمينه هاي اصلي که تحقيقات در مورد آنها بايد ادامه داشته باشد و از مشکلات و موانع ساخت خودرو برقي ايده آل مي باشد به قرار زيراست
– دوام و قيمت باتريها
– الکترو موتورها
– دستگاههاي جانبي- شارژر و مبدل و …
– گرمايش و تهويه
در مورد الکترو موتورها اين نکته قابل ذکر است که در موتورهاي صنعتي معيارهايي چون وزن ، حجم ساختماني ، راندمان در حالت نيمه بارگذاري ، روند گشتاور، قابليت تنظيم و کنترل و خصوصيات ديگري از اين قبيل نقش مهمي ندارند و در حاليکه در خودروهاي برقي اهميت شايان توجهي دارند يعني موتورهاي صنعتي براي خودروهاي برقي بسيار سنگين ، زياد از حد بزرگ بوده و راندمان آنها به ويژه در حالت نيمه بارگذاري نامناسب است و اين موتورها بسيار گران قيمت مي باشند.
فصل دوم: سيستم انتقال قدرت و محاسبه توان مورد نياز
در اين فصل تهيه منحني ها و مشخصه هاي عملکرد خودرو برقي ارائه مي گردد و شامل تهيه مقادير بهينه ، طراحي و تکميل يک خودرو براي تبديل مي باشد شکل 3-1 اين مراحل را به طور شماتيک نمايش مي دهد .
2-1- تأثير وزن در خودرو برقي
موضوع وزن را بايد در سه مرحله مورد توجه قرار داد.
1- قبل از انتخاب خودرويي که مي بايد تبديل شود و تا چه ميزاني کاهش وزن امکان پذير است .
2- هنگام تبديل خودرو به خودرو برقي : وزن خودرو پس از برداشتن وزنهاي غيرضروري بايد تا حد ممکن کاهش زيادي داشته باشد و بنابراين بدنه زيبايي کم وزن مورد نظر مي باشد نبايد براي نصب قطعات جديد روي قاب و شاسي خودرو و سوراخ کاري انجام شود.
3- وزن خودرو پس از تبديل
پس از کاهش وزن که حدود 3000 تا 4000 کيلوگرم خواهد بود شاسي و بدنه آماده اي براي خودرو برقي خواهيم داشت دليل اهميت وزن و تأکيد برآن به اين خاطر است که وزن مستقيماً با عملکرد خودرو شامل شتاب، بالا رفتن از شيب ، سرعت و مسافت ، حرکت متناسب است.
2-1-1- تأثير وزن بر شتاب
طبق قانون دوم نيوتن شتاب هر جسم با وزن ونيروي وارد بر آن متناسب است البته قانون دوم نيوتن براي خودروي برقي به صورت زير نوشته مي شود :
نيروي شتاب دهنده : a : شتاب W: وزن خودرو
ضريب جرم مي باشد و به خاطر اينرسي قطعات گردنده به وزن خودرو اضافه مي
شود قطعات گردنده عبارتند از : چرخها ، فلايويل ، کلاج ، شافت موتور ، قطعات
جعبه دنده و غيره به صورت زير بيان مي شود :
ضريبي است که به نسبت انتقال و دور خروجي جعبه دنده بستگي دارد.
در موتور احتراق داخلي براي دنده بالا 1/1 براي دنده سوم 2/1 دنده دوم 5/1 و
براي دنده اول 4/2 مي باشد در خودرو برقي چون قطعات گردنده به خصوص ممان
اينرسي موتور کم مي باشد اين ضريب حدود 2/1 تا 06/1 مي باشد 06/1 براي
خودرو سبکتر و 2/1 براي خودروهاي سنگين تر.
2-1-3- تأثير وزن در شيب ها
وقتي از يک سراشيبي بالا رويم نيروي ديگري به نيروهاي قبلي اضافه مي شود و به صورت زير محاسبه مي گردد .
نيروي بالا رفتن : W: وزن خودرو شيب جاده :
2-1-3- تأثير وزن بر سرعت خودرو
اگر چه سرعت ساير فاکتور ها را نيز شامل مي شود ولي مسلماً به وزن وابسته است مي دانيم قدرت مورد نياز به صورت زير است :
P=F.V

وزن : W توان مصرف خودرو : P سرعت خودرو :V
شتاب خودرو :a شتاب جاذبه :g
2-1-4- تأثير وزن بر مسافت طي شده توسط خودرو

براي يک مقدار مشخص انرژي اگر زمان بيشتري رانندگي کنيم ( با سرعت پائين تر) و يا اگر وزن کمتري داشته باشيم مي توان مسافت بيشتري طي کرد.
براي اطلاع بيشتر راجع به تأثير وزن بر شتاب ، شيب ، سرعت و مسافت به کتاب گيلسپي و يا هندوبوک بوش مراجعه شود.
2-1-5- توزيع وزن
جدول (3) توزيع وزن روي محور عقب و جلوي يک خودرو را قبل و بعد از تبديل به خودرو برقي نشان مي دهد .
جدول 3 : توزيع وزن در خودرو
ظرفيت باروزن روي اکسل عقبوزن روي اکسل جلووزن (پوند)1200120018003000قبل از تبديل-100-500-600موتور احتراق داخلي و اجزاء آن110013002400جمع قبل از تبديل10004001400وزن موتورالکتريکي و باتري ها و …400210017003800وزن بعد از تبديل1200وزن باتري ها3270نسبت وزن باتري به وزن خودرو
2-2- نيروي مقاومت هوا
براي کاهش نيروي مقاومت هوا بايد (ضريب مقاومت خودرو) و يا A (سطح جلويي خودرو) کاهش داده شود اگر را کاهش دهيم سرعت و مسافت طي شده بيشتري خواهيم داشت جدول (4) را براي قسمتهاي مختلف خودرو نشان مي دهد.
جدول 4: ضريب براي قسمتهاي مختلف خودرو
نسبت به کل %مقدار سطح مورد نظر خودرو33.30.14بدنه عقب خودرو21.40.09چرخها14.30.06زير بدنه خودرو11.90.05جلوي خودرو7.10.03برآمدگيها و تورفتگيها6.00.025اصطکاک سطحي بدنه1000.42ضريب کل مقاومت هوامقدار براي بدنه خودروها تا 0.32 کاهش يافته است البته اين مقدار در حالت نرمال مي باشد و چنانچه پنجره ها باز باشد تا 0.06 نيز افزايش مي يابد.
جدول (4) نشان مي دهد سطوح مختلف چه مقدار در اين ضريب نقش دارند حدود 31% ضريب مقاومت هوا مربوط به چرخها مي شود اين مقدار را مي توان با استفاده از تايرهاي نازک کاهش داد سطح جلويي يک خودرو 18-24 فوت مربع است البته سطح جلويي خودرو را نمي توان تغيير داد اما هنگام خريد خودرو براي تبديل بايد مدنظر قرار گيرد.
نيروي مقاومت هوا در شرايط استاندارد 60 و فشا رinHg30 اندازه گيري شده است و بطور عادي براي محاسبات فرضيات کافي مي باشند اما چند موضوع ديگر در محاسبات دخالت مي نمايد به طور مثال سرعت نسبي باد در محاسبه نيروي مقاومت هوا دخالت مي نمايد به طور مثال سرعت نسبي باد در محاسبه نيروي مقاومت هوا دخالت مي نمايد ضريب متناسب باد مي باشد و به صورت زير تعريف مي شود
سرعت خودرو :V
Crw ضريب وزش نسبي باد مي باشد که بطور تقريب براي خودروهاي نوع معمولي 4/1 ، براي خودروهاي آيروديناميک 2/1 و براي خودروهاي غير آيروديناميک يا خودرو معمولي با پنجر باز 6/1 است Cw محاسبه شده براي هفت سرعت مختلف خودرو و سرعت متوسط باد mph5/7 و سه حالت مختلف Crw در جدول (5) نشان داده شده است .
جدول (5) ضريب وزش نسبي باد
براي سرعت متوسط باد
7.5mphCrwV=5mphV=10V=20V=30V=60V=75123.1800.9290.2990.1630.1590.0630.0471.43.8101.1330.3740.2060.1850.0820.0621.64.4401.3380.4490.2500.2120.0160.016براي محاسبه نيروي مقاومت کل هوا از فرمول زير استفاده مي کنيم :
جدول (6) مقادير را براي خودروي حقيقي مطرح مي نمايد و براي هفت سرعت مختلف را محاسبه مي نمايد توجه کنيد که نيروي مقاومت هوا براي خودرو کوچک کمتر و براي خودرو و وانت بزرگتر است اما خودرو کوچک مکان کافي براي قرارگيري باتري ها را ندارد.
جدول 6
نوع خودروAV=5V=10V=20V=30V=45V=60V=75سواري کوچک
سواري بزرگ0.3
0.3218
220.35
0.451.38
1.805.52
7.2012.43
16.2027.97
36.4649.72
64.8277.69
101.28ون0.34260.512.269.0420.3545.7881.3917.17وانت0.45240.0692.7611.0524.8655.9399.44155.37مدلهاي قديمي0.6180.692.7611.0524.8655.9366.44155.37
2-3- رانندگي در جاده
امور تايرهاي خودرو پهن و داراي عاج هستند و مشخصات مقاومت غلتشي کم را دارا
نمي باشد در عوض آنها براي چسبندگي بيشتر ساخته شده اند در يک خودرو برقي اگر تايرهاي بدون عاج و باريک استفاده نمائيم مشکلات رانندگي خواهيم داشت :
تعريف مقاومت غلتشي بصورت زير است:
ضريب مقاومت غلتشي: W وزن خودرو: زوايه شيب جاده :
در اينجا نيز وزن خودرو مطرح مي گردد اين بار در محاسبه اصطکاک تاير خودروها ضريب غلتشي تقريباً ثابت مي ماند و براي خودروهاي با وزن متوسط و کم بصورت زير است :
براي سطوح سخت(بتوني)
براي سطوح با سختي (متوسط)
براي سطوح فرم (شني)
اگر براي محاسبه قدرت بيشتري مي خواهيد به اين صورت است که در سرعتهاي کم به صورت خطي با سرعت خودرو تغيير مي نمايد و از فرمول تجربي زير محاسبه
مي گردد.
V(mph) سرعت خودرو
2-3-1- توجه به تايرهاي خودرو
تايرها در خودرو برقي مهم هستند آنها وزن خودرو باتريها را با لرزشهاي بوجود آمده تحمل مي نمايند همچنين نيروهاي رو به عقب يا جلو هنگام شتاب گيري يا ترمزکردن و نيروهاي جانبي هنگام پيچيدن را تحمل مي نمايند.
از نظر مقاومت غلت در حالت ايده آل تاير موتورسيکلت بهترين مي باشد چون باريک است و سطح تماس کمي با جاده دارد و سخت است بنابراين اصطکاک کمي خواهد داشت و بزرگ بودن قطران باعث مي شود به ازاء مسافت شخصي تعداد دور کمتري بزند.
از مطالعه مهندس مشخصات تلفات غلتشي يک تاير پلاستيکي خواهيم داشت :
نيروي مقاومت غلتشي=
مشخصه تلفات و الاستيسيته مواد تاير=
Wوزن مؤثر روي تاير=
dقطر خارجي تاير=
thارتفاع مقطع تاير=
Twپهناي مقطع تاير=
از اين معادله مشخص است که براي کاهش نيروي مقاومت غلتشي ، جنس ، سخت تاير، وزن کمتر ، قطر بزرگتر و نسبت th/tw کوچک بهتر است .
البته اين متغيرها با فشار تاير تغيير مي کنند با افزايش فشار تاير همچنين باعث انتقال بيشتر ارتعاشات جاده مي شود بنابراين تا مقدار معيني مجاز به افزايش تاير مي باشيم.
همچنين مي توان از تايرهاي کهنه استفاده کرد سطح صاف اين تاير اصطکاک غلتشي کمتري را ايجاد مي کند استفاده از تايرهاي با قطر بزرگتر و پهناي کمتر نيز مفيد است.
يک ضريب 0.002 براي قطعات مربوط به ترمز به ضريب اصطکاک اضافه مي شود.
يک ضريب 0.0001 به خاطر هم محور نبودن ، چرخ ها هنگام پيچيدن و انتقال دور از ميل کاردان به چرخها با زاويه 90 اضافه مي گردد.
2-3-2- محاسبه نيروي مقاومت غلتشي يک خودرو
در اغلب موارد براي جاده سخت (بتوني) با ضريب مقاومت ترمز و ضريب غير محور 0.003 و در مجموع 0.018 استفاده مي گردد براي مثال يک خودرو 3800 پوندي نيروي مقاومت غلتشي 68.4 پوند خواهد بود.
شکل 3-2- نيروي مقاومت غلتشي و نيروي مقاومت هوا را براي سرعتهاي مختلف نشان مي دهد البته اين مقادير براي سرعتهاي خاصي و به طور تجربي اندازه گيري شده اند دو نيروي فوق به اضافه نيروي شتاب و نيروي لازم براي پيمودن جاده شيب دار، پيش راني يا بار جاده مي باشند.
2-4- تجهيزات انتقال قدرت
تجهيزات انتقال شامل کليه قطعاتي است که قدرت توليد را به چرخها و تايرها انتقال
مي دهند وقتي ما راجع به تجهيزات انتقال قدرت صحبت مي کنيم بايد اين تجهيزات و عملکردشان جداگانه در يک خودرو برقي و يک موتور احتراق داخلي بررسي شوند در اين بخش



قیمت: تومان


پاسخ دهید