KINETIC ENERGY RECOVERY SYSTEMS (KERS) -VOLVOLucrarea se refer la proiectarea de sistemul de recuperare a energiei cinetice (KERS), prin depozitarea energiei de la volant ( FES ) si recuperarea acesteia la franare. KERS prin intermediul FES sunt n curs de dezvoltare, att pentru vehicule sport cu motor termic cat i hibride.

Scopul lucrrii: Optimizarea i punerea n aplicare la vehiculele rutiere hibride i electrice .

De la inventarea roii, am descoperit un numr corect de modaliti de a muta un vehicul montat cu mai multe dintre ele. De departe cel mai de succes comercial este motorul cu combustie intern, dar tiina ne spune c ar putea fi nlocuit ntr-o zi. Dac motivaia lor este de aer curat, ulei de vrf, sau de securitate naional, toat lumea are un motiv de a fi interesat de noua tehnologie de propulsie. Un potenial urmas este Volvo.

Sistemul Volvo de recuperare a energiei cinetice bazate pe volant ( KERS ) , este de fapt punctul culminant al deceniilor de munc de la un numr de surse . Volvo se tot joaca cu ideea i aceasta inca din 1979 , cnd a folosit un volant de 128 [kg] care avea o viteza de rotatie de 12.000 RPM pentru a alimenta un prototip timpuriu . Problema cu un volant mare - n afar de problema de ambalare evident - este aceea c forele create de atta greutate care se invarte rapid ar fi suficient pentru a face masina sa schimbe direcia , fr intenia oferului . Prototipul de astzi este un pic mai compact . ntreaga unitate , inclusiv un ambreiaj umed , set de viteze planetare , CVT , volant , i electronica aferenta, precum i sistemele hidraulice. Este aproximativ de marimea unui motor cu trei cilindri i cntrete doar 59[kg] , aproximativ greutatea unei transmisii manuale . Un volant de 2[kg] din carbon - compozit nfurat n jurul unui centru de oel care se nvrte ntr-un vid de pn la 60.000 RPM . ntreaga unitate se monteaz n acelai leagn suspensie spate, utilizate n PHEV V60 de producie si se monteaza aproape perfect sub portbagaj . Aproape , pentru c se lipete n sus prin podeaua portbagajului civa centimetri , dar inginerii Volvo spune c pot fi rezolvate prin rotirea lui un pic in fata . Acest lucru este , la urma urmei , un prototip .Spre deosebire de cele mai multe hibrizi de pe pia astzi , " motoarele " convenionale i neconvenionale sunt separatela PHEV S60 . n aceast main , motor turbo pe benzin cu patru cilindri conduce roile din fa n timp ce unitatea KERS volant conduce roile din spate . Operaiunea este destul de simplu . Cand se frneaza , ambreiajul umed se nchide i KERS-ul opreste roile din spate pentru a se roti volantul . Atunci cnd se deplaseaz din nou , ambreiajul se nchide din nou i alimenteaz energia mecanica de la volantul care se invarte napoi la roile din spate pentru a muta masina inainte . n timp ce nu sunt proiectate n prezent s fac acest lucru , Volvo spune KERS-ul are suficient energie pentru a muta masina de la o oprire . Deja se poate alimenta masina sub acceleratie usoara pentru a menine viteza . Volvo a programat dou moduri , un mod Hibrid standard, si un mod Performance. Modul hibrid foloseste franare regenerativa uoara pn la moderata pentru a roti volantul i scade puterea KERS napoi la cum consider de cuviin pentru a maximiza economia de combustibil i pentru a reduce sarcina pe motorul pe benzin . Cnd condus corect , Volvo spune ca poate reduce consumul de combustibil cu un impresionant 25 % la un motot turbo cu patru cilindri . O versiune la scar redus ar cntri aproximativ 20 [kg] mai puin i nu ar avea un mod de performan , dar ar putea reduce consumul de combustibil cu pn la 30 %. n modul de Performance , computerul pstreaz KERS-ul la un minim de putere de 50 % pentru rspuns imediat . La putere maxima , Volvo spune ca se poate aduga un impuls de pn la 80 de cai putere i scade cu 1.5 secunde timpul la un motor turbo cu patru cilindri S60 de 0 - la - 100 , fiind la fel de rapid ca modelul turbo de sase cilindri Volvo . n total, impulsul dureaza aproximativ cinci - ase secunde cu o incarcare maxima, iar volantul se va roti n jos de la viteza de top la o oprire n aproximativ 30 de minute, dac nu se foloseste .

De condus nu este foarte diferit fata de conducerea oricarui alt hibrid . Cel mai bine este de a frn devreme i moderat , suficient pentru a obine o incarcare buna , dar nu atat de tare ca s se angajeze ferm frna de picior . Cu ct stai mai mult, cu atat pierzi mai multa energie, deci va trebui s-l folosesti din nou imediat , ca s nu pierzi din energie . Din moment ce se nvrte att de repede , nu e nici o nevoie real pentru a ncerca s-l conservi sau v facei griji c nu va fi acolo data viitoare cnd l vrei . Senzaia real nu este cu adevrat diferita fata de un hibrid tradiional. Exist o tragere evidenta pe masina atunci cnd se scufunda n pedala de frn i a activa frnarea regenerativ . La accelerare , exist o apsare uoar, dar ferma din spate , un sentiment de livrare de putere la fel de neted i constanta ca un motor electric . Singura diferenta reala este n modul n care cele dou motoare pot oferi putere . KERS-ul reacioneaz imediat cu puterea puternic , liniar , n timp ce motorul pe benzin are o jumtate de bataie pentru a rspunde . Inginerii Volvo spun c sunt fericiti cu livrarea de energie aa cum este acum , dar ele ar putea fi programate pentru a face cele dou sa reacioneze la unison cazul n care clienii nu le place .

Sa antrenezi volantul pn la 50 la sut din puterea sa i meninndu-l acolo necesit KERS-ul sa fie in functionare, n timp ce conduceti , nu doar n timp frnarii , astfel nct s simi o uoar tragere de la spate , cum ar fi ca te-ar trage o remorc. Nu este o surpriza aceeai tehnologie a fost testata n Formula 1 n urm cu doar civa ani . Dup cum sa menionat , masina volant KERS este doar un prototip , dar se simte destul de aproape de nivelul de rafinament necesar pentru a vedea linia de productie . Cea mai evident problem este zgomotul care se aude , ca o turbina n portbagaj . Cellalt este de reglajul setulului de viteze planetar cu dou viteze , ca doar treapta de mare vitez a fost pusa in functionare n timpul demonstraia celor de la VOLVO. Apoi , desigur , exist studii de analize cost i de fezabilitate , care trebuie s fie fcute , dar potenialele avantaje sunt evidente . Este autonom i suficient de mic pentru a se potrivi sub podeaua portbagajului , o greutate de doar 59[kg] pe cand un sistem hibrid cu baterie are aproximativ 300[kg]. Ar costa , de asemenea, mai putin dect toate aceste baterii , cabluri si motoare electrice . Pentru moment , ns , Volvo spune ca masina volant KERS este doar un experiment . n timp ce a supravieuit unor de teste de banc , exist nc o multime teste de fcut pe main . Totusi , inginerii Volvo ne spune c utilizand suspensie pe spate PHEV-lui , abilitatea de a instala aceast unitate KERS volant n maini de producie este construit n mod implicit n noul Scalable Platform Architecture de la care toate autovehiculele Volvo noi vor fi construite .

1.2 Introducere n volantul de stocare a energiei

Energia cinetica de stocare , de asemenea, cunoscuta sub numele de depozitarea energiei de la volant ( FES ) , este utilizata n mai multe domenii tehnice .n timp ce utilizai aceast abordare tehnic , masa inerial se accelereaz ntr-o viteza foarte mare de rotaie i menine energia n sistem ca energie de rotaie . Energie este convertit napoi prin ncetinirea volantului . Performan disponibila vine din momentul de efect de inerie i de operare a vitezei de rotaie .Masa volantului fie este condusa mecanic de CVT (Unitate de transmisie continua variabila) de viteze [Fig. 4.] sau acionata electric prin motor electric / generator [Fig. 5.]

Fig. 4. Volant compozit acionat mechanic

Fig. 5. Volant acionat electricDispozitive care utilizeaz n mod direct energie mecanic sunt n curs de dezvoltate, dar cele mai multe sisteme FES folosesc energie electric pentru a accelera i decelera volantul.n comparaie cu alte moduri convenionale de stocare a energiei electrice (baterii i condensatoare), sistemele FES electrice, combinate cu concept inovator ofer avantaje eseniale. In special un ciclu de viata complet, intervalul de temperatur de funcionare i tensiune constant i nivelul de putere, care este independent de sarcin, temperatur i de stat de ncrcare. Astfel, FES ofera o putere de minim mult mai mare i energie eficiena.

2 . Mecanismul volantului KERSStocarea energiei a volantantului se bazeaz pe principiul de regenerative de frnare . Franarea regenerativa este un mecanism care reduce viteza vehiculului , transforma energia cinetica n alt form util de energie: energie mecanica , energie electric sau altele asemenea . n general, ntr- un hibrid alimentat de la baterie , un motor electric este conectat la roi. Cnd vehiculul franeaza, motorul se rotete n sens invers , care acioneaz ca un generator i n acest proces ncetinind maina . Energia electric produs este apoi trimis la baterie care stocheaz energia ca energie chimica . Cnd se dorete, bateria furnizeaz energia stocat napoi la roi , dnd un " impuls " suplimentar de putere . Din pcate, multe energia transformata, de la mecanic la electric i de la electric n energie chimic , reduce eficiena total a sistemului cu aproximativ 30 % . Hibridul mecanic nvingand acest neajuns .Volantul hibrid este format n principal dintr -un volant rotativ ,un sistem cu o transmisie cu variaie continu ( CVT ) ,acesta avand o imbunatatire a angranajului ( mpreun cu un ambreiaj) ntre volantul i CVT i ambreiaj care conecteaz acest sistem la arborele primar al transmisiei . Atunci cnd frnele sunt actionate sau vehiculul decelereaz, ambreiajul care conecteaza sistemul volantului la transmisie este conectat , provocnd energie s fie transferata la volant prin CVT . Volanta inmagazineaza aceast energie sub form de energie de rotaie i se poate roti pn la o vitez maxim de 60000 rpm . Cnd vehiculul se oprete , sau volantul ajunge la viteza maxima ,ambreiajul decupleaz volantul de transmisie permitand volantului s se roteasc independent . Ori de cte ori este necesar aceast energie stocat ,ambreiajul este cuplat i volantul transmite aceast energie napoi la roi , prin intermediul CVT . n general, volantul se poate genera pn la 60 kW de energie sau aproximativ 80 HP . Fig.6. Volant KERS VOLVO Fig.2.Schema unui Volant hibrid2.1 . VolantulVolantul este componenta care recolteaz energie cinetic , atunci cnd frnele vehiculului , prin creterea acesteia viteza de rotaie . Capacitatea volantului pentru a stoca energie se explic prin relaia intre inertia volantului , viteza unghiular i energie cinetic .Ecuaia pentru energia stocat ntr-un este:

Unde E este energia ( jouli ) , I este ineria volantului ( kgm2 ) , iar este viteza unghiular (rad/ sec ) a volantului .Ecuaia pentru ineria unui volant este :

Unde m este masa volantului ; i sunt raza interioar i exterioar a volantului respectiv .Combinnd ecuaia 1 i 2 se obine:

Din ecuaia 3 , energia unui volant este proporional cu masa acestuia, i proporional cu ptratul vitezei de rotatie sau vitezei unghiulare . Cu alte cuvinte , prin dublarea masei ,energia stocat este de asemenea dublata i prin dublarea vitezei , energia stocat este crescut de patru ori. Astfel, prin creterea vitezei volantului va fi posibila reducerea masei i mrimea acestuia, la un nivel la care greutatea sa este nesemnificativ n timp ce analiza, eficiena combustibilului . Pentru a face sistemul mai eficient , este necesar sa bagam volantul ntr -o camer de vid i pentru a elimina rezistena datorit aerului i a reduce frecarea este montat pe lagre magnetice .Cantitatea de energie care poate fi stocata n condiii de siguran in rotor depinde de punctul n care rotorul se va deforma sau sparge. Tensiunea din rotor este dat de:

Unde este de tensiunea pe marginea volantului; este densitatea, r este raza exterioar a volantului i este viteza unghiular a volantului rotaie. Volantul poate fi fabricat din materiale diferite , bazate pe cerinta vitezei maxime de rotaie i alte constrngeri de proiectare . Volantele de mare vitez pentru viteze de peste 30000 rpm sunt compus de obicei din fibra de carbon de nalt rezisten . O mas mare, nu este de dorit pentru volant de mare vitez , deoarece avand mas suplimentar nseamn ca va fi nevoie de mai mult energie pentru a accelera vehiculul . Pe de alt parte , volanii de viteza mica cu valori sub 20000 rpm , n general, sunt realizate din otel sau alte metale pentru costul redus . Greutatea volantului este un factor foarte important n determinarea eficienei sistemului .

2.2 . Camera de vid a volantuluiCamera de vid este o alt parte foarte esenial a sistemului volantului hibrid . Funcia major a camerei de vacuum este de a minimiza rezistena aerului in timp ce volantul se roteste . Fr camera de vacuum ,frecare cauzat de rezistenta aerului este suficienta pentru a provoca pierderi semnificative de energie i sa incalzeasca marginea din fibra de carbon a acesteia la temperatura de tranziie vitroas [10]. Camere de vid pentru sistemele KERS sunt adesea fabricate din metale cum ar fi aluminiu , oel inoxidabil , sau altele asemntoare , deoarece aceste metale pot oferi o rezisten adecvat pentru a rezista presiunii difereniale ntre un interior evacuat i atmosfera nconjurtoare , precum i pentru a oferi o barier la trecerea gazelor atmosferice prin peretele camerei de difuzie sau sa treaca prin defecte structurale . Fig.3 Sistemul volantului hibrid proiectat de flybrid .

2.3 Lagre magneticeO alt parte important a sistemului sunt lagrele pe care se monteaz volantul.Lagrele magnetice au nlocuit lagarele mecanice, deoarece reduce foarte mult pierderile cauzate de frecare . Lagarele mecanice nu pot, datorita frecarii mari i duratei de via scurt , s fie adaptati la volanti moderni de mare viteza . Lagrele magnetice suplimentare sunt capabile s opereze n vid ceea ce conduce la eficien mai buna . Lagrele magnetice sustin volantul pe baza principiului de levitatie magnetica . Este o metod prin care un obiect este suspendat fr alt sprijin dect cmpuri magnetice . Un sistem permanent sau electro lagr magnetic permanent este utilizat . Electro lagre magnetice permanente nu au nici un contact cu arborele , nu au pri n micare , nu prezinta urme de uzura si nu necesita nici o ungere . Este important c lagrele sa fie capabile s funcioneze n interiorul unui vid deoarece volantul ntr -un KERS bazat pe volant trebuie s se nvrt la viteze mari pentru eficien maxim .Cele mai performante lagare sunt cele super-conductoare la temperature inalte adica lagrele magnetice , care pot aseza n mod automat volantul fr a fi nevoie de sistem de energie electric sau de control de poziionare . Cu toate acestea , magneii super-conductori la temperatura inalta necesit rcire criogenica cuazot lichid [1] .

Fig.4. Lagr magnetic proiectatde firma Waukesha .

2.4 . Transmisie variabil continu ( CVT ) Cea mai importanta interfaa care conecteaz volantul la sistemul de transmisie este CVT . Transferul de energie la volant de la transmisie i vice- versa este foarte esenial , n scopul de a obine performane maxime de la volant . Raportul de vitez ntre vehicul i volant se schimb n mod constant ntre accelerare i frnare . Motivul pentru care o unitate de acionare n trepte nu este preferat n acest sistem se datoreaz faptului c ea are doar un numr fix de rapoarte de transmisie , spre deosebire de CVT care au un numr infinit de rapoarte de transmisie ntre valoarea maxim i valoarea minim care permite un transfer continuu de energie , fr nici o pierdere de putere. Cu cat vehiculul incetineste sau accelereaz CVT trebuie s se adapteze continuu la raportul dintre viteza vehiculului i rotirea volantului . Cand vehicul ntrzie , energia este transferat la CVT prin ambreiaj , obligand discurile cu role pentru a comuta poziia de la arborele de ieire spre arborele de intrare. Zona de contact a suprafeei este factorul care determin care arborel se rotete mai repede . Cnd ambele role au contact egal pe suprafeele toroidale de intrare i de ieire , raportul de transmitere este de 1:1 . Orice schimbare n raportul CVT poate fi privit ca transfer de energie cinetic ntre ineria volantului i vehicul . Ilustraiile din Fig.5 i Fig.6 arat modul n care poziiile rolelor afecteaz ieirea pe fiecare parte a CVT . Fig. 5 CVT intr-o treapta inferioara Fig. 6 CVT intr-o treapta superioara

2.5. SISTEMUL DE TRANSMISIEUn sistem de transmisie este constituit din angrenaje epicicloidale, este conectat ntre CVT i unitatea volantului. Motiv pentru care este folosit acest sistem de transmisie se datoreaz faptului viteza cu care se rotete volantul este foarte mare (60000 RPM) si trebuie s fie redus la o vitez de gestionat n afara camerei de vid, pentru ca energia s fie usor transferata napoi la CVT. Ambreiajul deconecteaz CVT de la volant cnd acesta nu transfera putere pentru a reduce pierderile de funcionare.

Fig.7 Arat vederea in ansamblu a unui sistem KERS in CATIA V5, unde ambreiajul i sistemul de angrenare sunt afiate.

1.1 Introducere n frnarea cu recuperare e energiei cinetice

O frn cu regenerare este un mecanism care reduce viteza vehiculului prin convertirea energiei cinetice ntr-o alt form util de energie - curent electric , aer comprimat .Aceast energie captat este apoi stocate pentru o utilizare viitoare sau reintrodusa ntr-un sistem de putere pentru utilizarea de ctre alte vehicule . De exemplu , frne regenerative electrice la trenuri care alimenteaza cu energia electric produs din nou n sistemul de alimentare .La vehiculele full electrice si hibride , energia este stocat ntr-o baterie sau banc de condensatoare care are un strat dublu pentru o utilizare ulterioar. Alte forme de stocare a energiei care pot fi utilizate includ aer comprimat i volani .Frnare regenerativ utilizeaza faptul c un motor electric poate aciona , de asemenea, ca o generator.Motor electric de tractiune al vehiculului este operat ca un generator n timpul frnrii i ieirea sa este alimentat la o sarcin electric [ Fig. 1] .Acesta este transferul de energie a sarcinii care asigur efectul de frnare .

Fig . 1 . Frnare regenerativ - energia cinetic stocat ntr-o baterieFrnare regenerativ nu ar trebui s fie confundat cu frnare dinamic , care disipeaz energia electric sub form de cldur i , prin urmare, este mai putin eficienta.

Fig . 2 . Mecanism diagram conceptual Fig . 3 . Sistem de control - acumulator

Schema conceptual a mecanismului de comparaie arat curba caracteristic ntre frnarea hidraulica i de regenerare, n timp ce conductorul auto n mod intenionat frneaza. [ Fig. 2]. Frnare regenerativ reutilizeaza energia cinetic cu ajutorul motorului electric pentru a regenera electricitate .n mod normal , motoarele electrice sunt pornite prin trecerea unui curent electric prin el.Cu toate acestea , n cazul n care o for din afar este folosita pentru a porni motoarele electrice , ele funcioneaz ca un generatorul i produc energie electric. Acest lucru face posibil s se foloseasc rotaia axului de conducere pentru a porni motoarele electrice , astfel regenerand energie electrica pentru depozitare ( n baterie ) i simultan ncetinind autovehiculul cu rezistena regeneratoare a motoarelor electrice .Controlul sistemului de coordonate de frnare regenerativ i funcionarea frnarii a frnelor hidraulice convenionale [ Fig. 3] , astfel nct energia cinetic , care este n mod normaleliminate sub form de cldur la frecare cand frnezi , poate fi colectata pentru reutilizare ulterioar n condiii normale de conducere .De obicei , conducerea n traficul din ora presupune un ciclu de accelerare , urmat de decelerare . Raportul de recuperare a energiei n aceste condiii de conducere poate fi , prin urmare, destul de ridicat . Pentru a profita de aceast situaie , sistemul utilizeaz n mod proactiv de regenerare frnarea atunci cnd maina ruleaz n intervalul de vitez mic .Efectul de frnare regenerativ reduce rapid viteza la valori mici , prin urmare, frna de friciune este nc necesar , n scopul de a oprii vehiculul complet .Frna de friciune este absolut necesara n caz de defeciune a frnei de regenerare .Cele mai multe vehicule cu frnare regenerativ au putere numai pe anumite roi i puterea de frnare regenerativ se aplic numai la astfel de roi , astfel nct, n scopul de pentru a oferi frnare controlata n condiii dificile ( cum ar fi n carosabil umed ) de frecare frnarea pe baz de frictiune este absolut necesar pe celelalte roi .