فهرست مطالب

مقدمه

محدودیت ذخایر نفتی دنیا و نقش بارز خودروهای با سوخت فسیلی به عنوان یکی از منابع بزرگ الودگی در شهرهای بزرگ از دلایل مهم برای استفاده بهینه از این سوخت ها می باشد . طراحي خودروها از آغاز بر پيشینه در دسترس بودن، ارزا ن بودن و فراواني سوختهاي فسيلي شکل گرفت. به همين دليل، در طي صد سال اخيرکمتر تلاشي براي کم کردن آلايند ه ها و يا استفاده از منابع ديگرانرژي صورت گرفته است و بيشتر تلاش خودرو سازان صرف بهبود راندمان، راحتي و کارايي محصولاتشان می شده ، اما حجم بالای آلاينده ها در شهرهاي پرازدحام از يک سوي و پي بردن به نزديکي اتمام ذخاير سوختهاي فسيلي از سوي ديگر باعث شده تا توجه جامعة علمي و به تبع آن خودروسازان به استفاده از منابع ديگر انرژي جلب شود . يکي از روش هايي که براي مقابله با موارد  فوق پيشنهاد شده است ، استفاده از خودروهاي الکتريکي مي باشد . اما اگرچه اين خودروها ايجادآلودگي نمی کنند، اما خود داراي مشکلات و محدوديت هايي از جمله برد و حداکثر سرعت محدود  هستند که باعث مي شود تا اين ماشينها از لحاظ مشخصات و کارکرد کاملا غیر قابل مقايسه با خودروهاي احتراقي باشند .  جهت رفع محدوديت هاي ناشي ازاستفادة خودروهاي الکتريکي و احتراقی، استفاده از خودروهاي با منابع انرژي هيبريد (الکتريکي و فسيلي) به عنوان يک گزينة مناسب در دنيامطرح شده است.

در این پروژه،خلاصه ای از توضیحات مربوط به خودروهای هیبریدی مطرح شده و عملکرد سیستم ها با توجه به موضوع تایید شده تحقیق در مورد خودرو های هیبرید تویوتا گفته می شود . تویوتا در حال حاضر Prius را به عنوان یکی از خودروهای هیبرید پیشرفته و در حال توسعه در اختیار دارد . دراین راستا THS و THS II به ترتیب دو مدل هیبرید قرار گرفته بر روی خودروهای تویوتا می باشند . در سال 1997 اولین خودروی هیبرید ساخت تویوتا با مدل THS (THS-C در وانت استیما و THS-M در کرون، سدان لوکس) نصب شد و اخیرا مدل جدیدی از Prius را با هدف بهبود مفهوم محرک همنیروزایی هیبرید (Hybrid Synergy Drive)، تولید می کند. بر اساس این مفهوم جدید تویوتا سیستم هیبرید جدیدی را با عنوان THS II تولید می نماید که در اینجا سیستم های قبلی به کلی اصلاح شده اند، که در این تحقیق سیستم THS II مورد بحث قرار می گیرد.

تاریخچه

یک مهندس آمریکائی به نام H.Piper در 23 نوامبر 1905 یک ماشین هیبریدی ساخت که قادر بود در طی 10 ثانیه تا 25 مایل شتاب بگیرد. موتور این خودرو ترکیبی از موتور بنزینی و موتور الکتریکی بود که امروزه به عنوان موتور هیبریدی شناخته می‌شود. Piper در سه سال و نیم بعد، اختراع خود را ثبت نمود؛ اما پیشرفت سریع موتورهای احتراق داخلی با قدرت و گشتاور بالا در آن دوره، همچنین قابلیت استارت بدون هندل آنها  و از همه مهمتر پایین بودن قیمت سوختهای فسیلی و مطرح نبودن آلودگی محیط زیست، سبب عدم توجه به این نوع خودروها شد. در پی بحرانهای نفتی سالهای 1970 دوباره این خودروها مورد توجه قرار گرفتند ولی تا سال 1990 که کار اصولی با مشارکت PNGV (Partnership for a New Generation Vehicle) در آمریکا آغاز گردید، این خودروها به طور جدی پیگیری نشدند.

امروزه خودروهای هیبریدی مورد توجه کمپانیهای بزرگ جهان قرار گرفته اند که از آن جمله می‌توان به شرکتهایی مانند: تویوتا، هندا، میتسوبیشی، فورد، فیات، جنرال موتورز، دایملر کرایسلر، نیسان و پژو و ... اشاره نمود. توفیق این محصولات به حدی چشمگیر بوده که از دسامبر سال 1997 تا ابتدای سال 2000 بیش از چهل هزار محصول پریوس کمپانی تویوتا به فروش رسیده است.

خودروی هیبریدی چیست ؟

لفظ هيبريد براي سیستمهایی به کار برده مي شود که از دو نوع منبع انرژي براي فراهم کردن انرژي خود استفاده می کنند. در حال حاضر گرایش خودروها در استفاده از این دو منبع ، به استفاده از یک موتور احتراق داخلی(ICE) و یک موتور الکتریکی (GM) بیشتر مد نظر می باشد . با توجه به اين تعريف ، خودروي هيبريد الکتريکي ، خودرويي است که علاوه برموتور الکتريکي از انواع موتورهاي ديگر براي فراهم آوردن انرژي حرکتي ، استفاده کند. انواع مختلفي از موتورها براي اين امر درکنار موتورهاي الکتريکي استفاده شده اند که براي مثال مي توان از انواع متداول موتورهای CNG ، موتورهاي استرلينگ، هيدروژني و البته از انواع موتورهاي بنزيني و ديزلي نام برد.  دو سيستم تولید قدرت توأماً در توليد توان مورد نياز خو درو نقش دارند . توان توليدی هر يك از اين دوسيستم در بخشي به نام جمع کننده، با هم ترکيب شده و به چرخ ها منتقل مي شود. در واقع هیبرید معایب خودروهای برقی و احتراقی را تا حدی بر طرف نموده است،بطوری که در مدلی از تویوتا Prius ، از یک موتور الکتریکی با توان تولیدی 30- 50 کیلووات در کنار موتور چهار سیلندر 1500 سی سی با کارایی بالا استفاده شده است که مصرف سوخت ان را به 2.4 لیتر در 100 کیلومتر تقلیل داده است. بازدة بالا، آلايندگي كم، مسافت قابل پيمايش بالا، ايمني مطلوب ،از جمله ويژگيهاي حائز اهميت براي خودروهاي هيبريدي است. ميزان مصرف سوخت و آلايندگي در ساختارهاي هيبريدي به صورت قابل توجهي از حالت اصلي پايينتر مي باشد. اين مقادير حتي فراتر از استانداردهاي محيط زيست مي باشد.تنها عاملي که مي تواند مانع توليد فراگير اين نوع از خودروهاباشد، قيمت تمام شدة آنها است . موتور الکتريکي، مجموعة باتر يها،کنترلرها و مبد لهاي الكتريكي ساختارهاي هيبريد ، باعث مي شود تا قيمت و وزن اين خودروها افزايش چشمگيري داشته باشد ؛ همچنين اين خودروها با توجه به مودهاي حرکتي اي ، از کنترل نسبتاً پيچيد هاي برخوردارند .

فصل اول

مقایسه خودروهای هیبریدی با خودروهای دارای موتور احتراق داخلی

1-1 بررسى علت كاهش مصرف سوخت خودروهاى هيبريد در مقايسه با خودروهای احتراق داخلی

در اين بخش ابتدا بررسى و تحليل در مورد دلايل افزايش مصرف سوخت در خودرو احتراقى معمولى در شرايط مختلف حركت ارائه خواهد شد. سپس ميزان مصرف و توليد انرژى به صورت عددى و با انتگرال گيرى از منحنى توان زمان اجزاء محركة اصلى در يک خودرو هيبريد ساخته شد در شركت Volvo در مدت 50، ثانيه از حركت آن محاسبه مى شود. آنگاه با استفاده از ضرايب بازده اجزاء سيستم، ميزان مصرف انرژى و توان متوسط مصرفى در يک خودرو هيبريد و يک خودرو احتراق داخلى معادل با آن به روش شبيه سازى به دست مى آيد و ميزان مصرف انرژى و توان متوسط دوسيستم باهم مقايسه مى شوند.

1-2-تشریح سیستم هیبرید نمونه

اجزاء اصلى سيستم هيبريد سرى ک در كاميون هيبريد ساخت شركت Volvo به كار رفته در شكل (5 الف( نشان مى دهد موتور ديزل 154Kw كه با ژنراتور سه فاز سنكرون مغناطيس دائم كوپل شده است، وظيفه توليد انرژي الكتريكى را در سيستم بر عهده دارد. انرژى توليد شده يا مستقيماً به مجموعة موتور كنترلر الكتريكى كه با چرخها كوپل شده است فرستاده مى شود و يا در مجموعة زوج باتريها ذخيره مى شود و در واقع مورد نياز براى شتاب گيرى و يا زمانهاى خاموشى مجموعة موتور ژنراتور براى تأمين انرژى الكتريكى محركة خودرو مورد استفاده قرار مى گيرد.

به طورى كه در شكل (5-2) ديده مى شود نحوه عملكرد و ميزان فلوى انرژى در هر جزء از سيستم توسط واحدى به نام vmu كنترل مى شود. در واقع استراتژى كنترل توسط اين واحد بر سيستم اعمال مى شود. اجزاء اين سيستم هيبريد و محل آنها در شكل (5 ب) آمده است.

شکل 5 الف

شكل ( 5 ب) اجزا و محل نصب آنها در كاميون هيبريدى  Volvo FL6

شكل (6 ) منحنى توليد و مصرف توان در اجزاء سيستم را در مدت 150 ثانيه از كار آن نشان مى دهد. در اين شكل منحنى شمارهء2 يا (pedS) ميزان توان مصرفى و يا توليد توسط مجموعة موتور اينورتر 6 منحنى شماره 2 يا  (pgen)توان توليد شده توسط مجموعة موتور ديزل ژنراتور، منحنى شماره3 ميزان توان داده شده به مجموعة باتريها يا گرفته شده از آنها بر حسب كيلو وات و منخنى شماره، ميزان سرعت نقليه بر حسب كيلو متر بر ساعت است.

شكل (6)

به طورى كه ملاحظه مى شود در زمانهاى شتاب گيرى خودرو همچون زمانهاى =t 5 7 و 120 =، ثانيه توان مصرفى مجموعه موتور اينورتر توسط مجموعة باتريها و APL (مجموعة موتور ديزل ژنراتور) تأمين مى شود. همچنين در مواقعى كه سرعت ثابت است همچون 50 t= و t=100  ثانيه توان توليدى توسط APU صرف غلبه بر اصطكاک جاده و شارژ باتريها مى شود و در هنگام كاهش سرعت همچون زمانهاى t=30 و t=75 و t=135 ثانيه جذب شده از مجموعة موتور اينورتر نيز صرف شارژ باتريها مى شود. به طورى كه منحنى نشان مى دهد در اين زمانها اين مجموعه مى تواند خاموش باشد و يا اينكه به صورت هرز بگردد.

1-3-انرژی مصرف شده در خودرو هیبریدی

براى اندازه گيرى توان مصرف شده توسط مجموعة  APU در خودرو هيبريد بر اساس منحنى شكل (6) ابتدا منحنيهاى اصلى توان و سرعت از اين شكل استخراج مى شود. شكل(7 الف، ب، ج، پ، ت) منحنيهاى بوجود آمده توسط نرم افزار Matlab  را نشان مى دهد و براى محاسبة توان مصرف شده توسط APU مى توان از منحنيهاى حالت ژنراتور و موتور ديزل استفاده و دست آخر توان مصرفى APL را محاسبه كرد كه با توجه به عدم دسترسى به اين منحنيها، اين كار مستلزم وقت زياد است. با توجه به عدم نياز دقت بالا و توجه به هدف اين مطالعه كه مقايسة توان مصرفى در سيستم هيبريد و ICE معمولى است از اين راه حل صرفنظر و با استفاده از ضريب بازده متوسط ارائه شده در مراجع اين محاسبه انجام مى شود. در اين جا سه خودرو كاملاً معادل از انواع هيبريد سرى، هيبريد موازى، و درونسوز معمولى ساخت شركت فورد مقايسه شده اند. كه براى مجموعة APU خودرو سرى جدول سرى )2( به دست مى آيد.