خودروهای برقی
فهرست مطالب
چكيده : 5
بخش اول: 6
نحوة تأمين انرژي و عملكرد خودروي برقي 6
مقدمه : 7
فصل اول : خصوصيات خودروي برقي 8
1-3- انواع موتورهاي الکتريکي و مقايسه آنها 11
1-3-1- موتورهاي الکتريکي جريان مستقيم 12
2- موتورهاي القائي سه فاز 14
سيستم ذخيره انرژي الکتريکي : 17
بلوك دياگرام سيستم هاي ذخيرة انرژي 17
مصرف برق در هر بار شارژر باتري ها 19
عمر باتريها 19
نوع باتري 20
1-5-1- خودرو برقي با موتور جريان مستقيم dc 22
نتيجه گيري: 23
رابطه بين قطعات : 25
موتور / اکسل 25
شكل 1: ارتباط تجهيزات در خودرو برقي دو منظوره 28
فصل دوم: سيستم انتقال قدرت و محاسبه توان مورد نياز 30
جدول 3 : توزيع وزن در خودرو 33
جدول 4: ضريب براي قسمتهاي مختلف خودرو 34
سرعت خودرو :V 35
جدول 6 36
2-3- رانندگي در جاده 36
2-3-2- محاسبه نيروي مقاومت غلتشي يک خودرو 39
2-4- تجهيزات انتقال قدرت 39
2-4-1- سيستمهاي انتقال قدرت 40
2-4-2- بررسي دنده ها 44
2-4-4- جعبه دنده اتوماتيک و دستي 44
شکل 2: مقايسه مشخصه هاي موتور برقي و موتور احتراق داخلي 46
شكل3: تأثير نسبت دنده بر سرعت و قدرت خودرو 47
2-5-3- محاسبه گشتاور خروجي موتور 51
جدول 7: گشتاور خروجي يك موتور 120 ولت dc براي يك وانت در سرعتها و نسبت دنده هاي مختلف 52
شكل 4: مقايسه گشتاور مورد نياز و گشتاور قابل تامين در خودرو برقي 53
فصل سوم: طراحي سيستم انتقال قدرت پيکان برقي تبديلي 53
شكل 5: نمودار نيروهاي مقاوم بر حسب سرعت در خودرو پيكان برقي 61
شكل 6: نمودار نيروهاي مقاوم بر حسب سرعت در خودرو پيكان برقي 62
3-3- طراحي قطعات مورد نياز سيستم انتقال قدرت 63
محاسبه تحمل پيچها در برابر فشار 64
شكل 7: ابعاد مختلف فلايويل براي استفاده پيكان برقي 64
شكل 8: فنر كلاچ در خودرو پيكان 65
3-3-4- طرحي شاسي زير موتور 68
شكل 9: نمودار ممان خمشي شاسي موتور در خودرو پيكان برقي 71
بخش دوم: 72
نحوة تأمين انرژي و عملكرد خودروي خورشيدي 72
مقدمه 73
فصل اول : سلولهاي خورشيدي : Solar cells 77
2-1 بازدهي سلول : Cell Efficiency 78
1-5-1 : نحوه کار کردن سلولهاي خورشيدي (فتوولتاييک pv) 79
2-5-1- سيليکون در سلولهاي خورشيدي : 81
فصل دوم : طراحي بدنه و شاسي : Body and chasis design 1-2- مقدمه : 85
شاسي و قسمتهاي مختلف آن: 87
7-2-2 مونوکوکهاي کامپوزيتي : 90
فصل سوم : ناحيه خورشيدي solar Array 91
4-2-3 پوششها : 92
1-3-3 فناوريها : 93
شكل 14: ساختمان نيهاي بزرگ شده به وسيله ديگر نيهاي بريده شده را نشان مي دهد. 97
1-5-3 وضعيت الکتريکي ناحيه پانل خورشيدي : 97
شكل 15: تركيب بندي الكتريكي سلولهاي خورشيدي 98
شكل 16: نمودار جريان بر حسب ولتاژ 99
فصل چهارم : تحليل آيروديناميکي 101
شكل 17: بادهاي نسبي: ( برآيند نيروهاي وارد به يك نمونه ماشين خورشيدي) 105
شكل 19: ايرفويل NACA 4418 108
9-4 تحليل طراحي : 110
11-4 نتايج CFD: 111
12-4 طراحي دوباره براساس CFD: 113
فصل پنجم : سيستم هاي مکانيکي 116
2-2-5 انواع مکانيزمها : 119
شکل 21: انواع سيستم هاي انتقال قدرت 120
3-2-5 انواع سيستم هاي انتقال قدرت : 120
3-5 سيستم تعليق : Suspension System 122
3-3-5 رفتارهاي دلخواه از تعليق : 122
– ترمزهاي استوانه اي : Drum Brakes 125
3-4-5 توضيح : 125
1-5-5 انواع چرخها : 126
شكل 24: قسمت هاي يك چرخ را نشان مي دهد 127
فصل ششم: موتور Motor 129
غزال ايراني 132
فهرست مراجع و منابع 144
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.
