1. INTRODUCERE IN VEHICULE ELECTRICE HIBRIDE 1.1. Consideraţii privind funcţionarea vehiculelor electrice hibride Majoritatea vehiculelor fabricate în prezent folosesc pentru propulsie motoare cu ardere internă, (MAI). Vehiculele electrice, (VE), sunt superioare vehiculelor acţionate cu motoare cu ardere internă deoarece nu utilizează combustibili fosili şi sunt complet lipsite de emisii poluante, iar zgomotul generat la propulsie are un nivel extrem de scăzut. În schimb, necesitatea de a stoca o cantitate importantă de energie electrică măreşte drastic spaţiul necesar bateriei de acumulatori sau a bateriei de condensatori. Gabaritul dispozitivului de stocare a energiei electrice va creşte atunci cînd se doreşte o autonomie de funcţionare mai mare. Vehiculele convenţionale, propulsate cu motoare cu ardere internă utilizează energia obţinută prin arderea combustibililor fosili: benzină, motorină, gaz petrolier lichefiat, (GPL), etc.. Spre deosebire de ele, vehiculele electrice hibride, (VEH), sunt propulsate, în principiu, cu două tipuri de energie: energie termică (convenţională) provenind din arderea combustibililor fosili, respectiv energie electrică. Utilizând mai multe surse de propulsie, randamentul global de funcţionare al vehiculelor electrice hibride poate fi mărit tocmai printr-o selectare judicioasă a celei mai eficiente surse de putere corespunzătoare unui anumit regim de funcţionare. Acesta este de altfel şi obiectivul primar al strategiei de control al vehiculelor electrice hibride, deoarece nivelul tehnologic actual al bateriilor de acumulatori impune ca aproape toată energia utilizată pentru propulsia autovehiculului (cu o autonomie rezonabilă) să provină din combustibilul fosil (benzină sau motorină) disponibil la bord. Vehiculele electrice hibride reprezintă o punte între actualele vehicule propulsate de motoare cu ardere internă şi vehiculele viitorului caracterizate de un nivel al emisiilor aproape de zero (EZEV Equivalent-to-ZeroEmission-Vehicle, respectiv ULEV-Ultra-Low-Emission-Vehicle) sau, în anumite situaţii chiar fără poluare (ZEV- Zero-Emission-Vehicle) aşa cum se preconizează a fi vehiculele propulsate electric prin pile de combustie alimentate cu hidrogen. Este foarte important să fie amintit faptul că fără a parcurge treptele tehnologice şi a perfecţiona sistemele de propusie hibride nu se va putea atinge nivelul superior care îl reprezintă tehnologia propulsiei cu ajutorul pilelor de combustie (fuel cell). În prezent o serie de firme constructoare comercializează vehicule electrice hibride în producţie de serie: Toyota, Honda, Ford, GM. Multe alte firme au realizate prototipuri de vehicule electrice hibride, trecerea la producţia de serie fiind doar o problemă de timp ce depinde de
1
îmbunătăţirea unor parametri de funcţionare şi de reducerea preţurilor de fabricaţie. În ceea ce priveşte linia propulsoare a unui vehicul electric hibrid, acesta este mai complexă sub aspectul construcţiei, funcţionării şi controlului electronic decât sistemul similar al celui mai evoluat vehicul convenţional prevăzut cu motor cu ardere internă. Privit din punct de vedere al integrării elementelor componente, vehiculul electric hibrid reprezintă, comparativ cu soluţia vehiculului propulsat doar prin motor cu arderă internă un spor de complexitate de aproximativ 25%, în timp ce, din punctul de vedere al sistemului de control, aportul de hardware şi programe software este cel puţin dublu. Aceste noi elemente fac ca şi preţul unui astfel de vehicul să fie mai ridicat comparativ cu cel al unuia propulsat numai prin motor cu ardere internă. Astfel, aşa cum se arată în [1] primul vehicul (automobil) electric hibrid de serie conceput de firma Toyota reprezintă cea mai sofisticată linie propulsoare integrată şi cea mai complexă strategie de control realizată vreodată de firma respectivă recunoscută pentru promovarea unor idei de mare ingeniozitate şi complexitate tehnică. Vehiculele electrice hibride utilizează de regulă următoarele patru moduri de propulsie: 1. Propulsie mecanică pură prin motorul cu ardere internă, MAI, ce foloseşe combustibil convenţional (Fig. ); energia mecanică rezultată din aprinderea combustibilului (benzină, motorină) se transmite la roţi prin intermediul transmisiei T, (cutiei de transfer TC în cazul transmisiei integrale) şi diferenţialului D . Motorul cu
Fig.1.1 Modul de propulsie pur mecanică al autovehiculului hibrid ardere internă funcţionează cvasiconstant în zona de randament maxim (75 ÷ 85% din puterea maximă), diferenţa dintre puterea dezvoltată şi cea necesară regimului curent fiind transformată în
2
2.
energie electrică pentru încărcarea bateriei Bat. Conversia de energii se realizează cu ajutorul unui motor/generator electric ME/G şi a unui bloc convertizor/invertor de putere C&I; propulsie electrică pură (Fig. ) prin motorul electric, ME/G, alimentat prin invertor de putere C&I de la bateria electrică Bat, de regulă de curent continuu; acest mod de funcţionare nu produce nici o poluare asigurând o funcţionare în regim ( zero-emission-vehicle) ZEV;
Fig.1.2 Modul de propulsie pur electrică al vehiculului hibrid 3.
4.
La fel ca 2 doar că motorul cu ardere internă funcţionează în regim de încărcare a bateriei, Datorită randamentului superior al motorului cu ardere internă într-un astfel de regim, modul de funcţionare al vehiculului este de tip ULEV; Aşa cum se va argumenta mai târziu, modul de funcţionare 3 este caracteristic configuraţiei hibride serie, numele fiind o analogie la modul secvenţial de obţinere a energiei de propulsie definit printr-o succesiune de conversii (mecanică, electrică); Propulsie mixtă prin ambele motoare, mai precis spus motorul cu ardere internă este asistat de motorul electric pentru realizarea puterii dorite şi a randamentului maxim; regimul de funcţionare este denumit simbolic HEV (Hybrid Electric Vehicle propeler). Modul de propulsie mixt este specific regimurilor tranzitorii ale MAI în care, puterea dezvoltată la consumul specific optim nu este suficientă pentru a oferi manevrabilitatea vehiculului dorită de conducătorul auto (accelerări, depăşiri, pante ascendente pronunţate, putere maximă). Pentru a nu modifica funcţionarea la parametii optimi ai MAI surplusul de putere este dat de motorul electric pe baza energiei electrice stocate în baterie, aşa cum este simbolizat în Fig. . Din punctul de vedere al emisiilor poluante, regimul rămâne de tip ULEV, practic MAI funcţionează ca în cazul 1, cu diferenţa că bateria se descarcă ca în modul 2.
3
Fig.1. Modul de propulsie mixt (mecanic asistat electric) cu descărcarea bateriei 5.
Regimul de recuperare a energiei de frânare este specific autovehiculelor electrice şi hibride fiind o cale de îmbunătăţire a randamentului lor. Frânarea regenerativă urmăreşte să recupereze o cantitate cât mai mare din energia cinetică suplimentară a vehiculului ce se doreşte frânat şi care, în cazul autovehiculelor convenţionale se disipă sub formă de căldură în plăcuţele, etrierele şi discurile de frână. Într-o maşină electrică reversibilă, comutarea din starea de motor în cea de generator se face prin limitarea alimentării şi aplicarea unui cuplu de rotaţie, în cazul acesta provenind de la roţile autovehiculului (Fig. ).
Fig.1. Modul de frânare regenerativă
4
Conversia energiei cinetice în energie electrică are ca rezultat generarea unui contramoment la axul generatorului, regăsit ca moment de frânare la axul roţilor. Nu trebuie pierdut din vedere că autovehiculul hibrid este prevăzut şi cu un sistem convenţional de frânare, de regulă de tip electrohidraulic ce include o serie de sisteme active de control a siguranţei şi stabilităţii precum ABS, ASR (controlul tracţiunii), ESP (controlul stabilităţii în curbe) sau EBD (distribuţia electronica a forţei de frânare faţă spate). Pe parcursul unei frânări sistemul de frânare regenerativ şi sistemul clasic de frânare prin acţiunea presiunii hidraulice asupra plăcuţelor de frână pot lucra simultan. Totuşi sistemul regenerativ are întâietate în sensul că, la apăsarea pedalei de frână, dispozitivul de control electronic determină în primul rând cuplul disponibil la axul generatorului provenit din energia cinetică a vehiculului (frână de motor), respectiv cuplul de frânare dorit de şofer (determinat din unghiul şi forţa de apăsare a pedalei de frână) şi numai dacă acesta din urmă depăşeşte pe primul, sistemul clasic de frânare va fi şi el activat. Ca principiu de funcţionare, soluţia constructivă adoptată pentru propulsia vehiculelor electrice hibride (mai ales în configuraţie serie) se regăseşte în locomotivele diesel electrice de la care a şi fost probabil preluată. La aceste locomotive, un motor cu ardere internă de tip diesel acţionează un generator electric, energia furnizată alimentând motoare electrice de tracţiune cuplate direct cu roţile vehiculului. Sistemul prezenta avantajul de a nu necesita un sistem de transmisie cu raport variabil cuplat între motorul diesel şi roţile locomotivei. Aceasta deoarece, spre deosebire de un motor cu ardere internă al cărui cuplu de pornire este nul, motorul electric dezvoltă la turaţia de pornire un cuplu maxim putând fi astfel cuplat direct cu roţile; când se doreşte accelerarea trenului, motorul diesel este alimentat suplimentar pentru a determina creşterea puterii generatorului. Spre deosebire de tren ce rulează cu viteze cvasiconstante pe perioade lungi de timp şi are o sarcină aproape de valoarea nominală determinată pentru a putea rula în regimuri apropiate de cuplul maxim, un automobil se confruntă cu un domeniu extins de regimuri de funcţionare în care predomină accelerările, frânările, opririle, vitezele reduse specifice traficului intens sau mersul în gol. Într-un vehicul electric hibrid, strategia primară de control constă în selectarea sursei forţei de propulsie (motorul cu ardere internă sau motorul electric) în funcţie de sarcina specifică fiecărui regim de funcţionare al vehicului, astfel încât acesta să ruleze în permanenţă cu un randament maxim. Pentru motorul termic, regimul de randament maxim se află plasat în domeniul sarcinilor mari , astfel încât într-un vehicul electric hibrid motorul cu ardere internă este forţat să lucreze în regimuri de sarcină şi turaţie crescute. Motorul cu ardere internă funcţionează cu un randament
5
scăzut în regimuri de turaţie redusă atât în cazul unor sarcini mari cât şi la sarcini reduse sau la mersul în gol, în regimurile tranzitorii de accelerare sau decelerare precum şi în cazul pornirii mai ales la temperaturi scăzute. Strategiile de control ale vehiculelor electrice hibride urmăresc evitarea acestor regimuri prin algoritmi complecşi de utilizare a tuturor resurselor energetice de la bordul vehiculului, în final scopul fiind minimizarea consumului şi nivelului emisiilor poluante. Avantajele vehiculului electric hibrid comparativ cu unul convenţional sunt dictate în principal de avantajele motorului electric asupra celui cu ardere internă. Oricâte cercetări s-au realizat şi oricât de mult a progresat tehnologia în domeniul motoarelor cu ardere internă, încă nu se cunoaşte în totalitate ce se întâmplă în camera de ardere a motorului şi nu este posibil nici să se realizeze, cu o anumită precizie, regimuri succesive identice sau prestabilite. De asenemea nu se poate şti la un moment dat cu foarte mare precizie, care va fi cuplul care se produce, cât se pierde din cuplul produs sau cât va rămâne. Pe de altă parte, cuplul unui motor electric se poate determina mult mai simplu, cunoscând tensiunea şi curentul. Este posibilă generarea în orice moment a unui cuplu de ieşire prestabilit după cum, cu aceeaşi precizie, acesta va putea fi repetat ori de câte ori se doreşte. În acest fel, o maşină electrică, pe lângă randamentul mult superior permite şi un control mai precis al cuplului şi turaţiei comparativ cu un motor cu ardere internă. În plus, un motor electric antrenat de un cuplu extern poate trece în regim de generator şi astfel produce energie electrică, dar nici un motor cu ardere internă în regim de decelerare sau frânare nu va putea sintetiza combustibil. Astfel se explică performanţele deosebite ce pot fi realizate de un vehicul electric hibrid comparativ cu unul clasic propulsat prin motor cu ardere internă. În cazul unui vehicul cu propulsie hibridă, obiectivul major urmărit constă în asigurarea permanentă a unei cât mai bune stări de încărcare a bateriei, indiferent de regimul de funcţionare. Când cuplul de ieşire al motorului cu ardere internă depăşeşte pe cel necesar propulsiei, surplusul de putere se utilizează pentru antrenarea unui generator electric care reface starea de încărcare a bateriei (SOC- state of charge ). Aceeaşi situaţie se regăseşte în cazul frânării sau funcţionării în regim de frână de motor când energia rezultată din decelerare este utilizată pentru antrenarea generatorului şi încărcarea bateriei. Există situaţii în care starea bateriei este bună, astfel încât recuperarea energiei rezultată dintr-un regim de decelerare nu se justifică. Pentru a asigura funcţionarea eficientă cu un randament superior, în astfel de situaţii motorul cu ardere internă este oprit. Situaţia respectivă prezintă dezavantajul că dispozitivele auxiliare antrenate de regulă de motorul dcu ardere internă (pompă presiune ulei, pompă de apă, etc.) nu vor mai funcţiona nici ele. Din această cauză, motorul cu ardere internă aflat în
6
stare de nefuncţionare va trebui să fie antrenat de către motorul electric la o turaţie constantă, minimă (de regulă turaţia de mers în gol), consumându-se astfel surplusul de energie ce nu poate fi redirecţionat spre încărcarea bateriei şi asigurându-se în acelaşi timp şi funcţionarea continuă a dispozitivelor mecanice sau hidraulice auxiliare. În cazul în care puterea cerută de regimul de funcţionare al vehiculului este mai mică decât o valoare prestabilită şi totodată inferioară puterii pe care motorul cu ardere internă o poate genera într-un regim de funcţionare cu randament ridicat (de obicei puterea maximă a motorului cu ardere internă), vehiculul poate fi propulsat pe perioade scurte de timp sau la pornire doar de către motorul electric în cazul în care starea de încărcare a bateriei permite acest lucru. Dacă este necesară încărcarea bateriei, motorul cu ardere internă va funcţiona în regimul de eficienţă maximă, surplusul de putere fiind utilizat pentru antrenarea generatorului şi producerea de energie electrică. Atunci când este necesar un cuplu sau o accelerare mare, modul 1 (mecanic) sau modul 2 (electric), vor fi imediat comutate pe modul 4 (mixt) şi menţinute până ce vehiculul atinge o anumită creştere de viteză necesară solicitării. De regulă, modul mixt este un regim de asistare a motorului cu ardere internă de către motorul electric prin suplimentarea puterii primului şi evitarea funcţionării în regimuri neeconomice şi/sau poluante. Un vehicul electric hibrid comandat corespunzător poate avea un consum de două ori mai redus decât vehiculul propulsat clasic de un motor cu ardere internă cu aceleaşi caracteristici cuplu, turaţie la ieşire. Aceasta înseamnă atât o autonomie dublă dar şi o reducere a nivelului de poluare prin eliminarea regimurilor tranzitorii sau de funcţionare în gol a motorului cu ardere internă. Pornirea clasică prin starter, unul dintre regimurile cele mai poluante şi ne-economice este înlocuită cu pornirea cu ajutorul motorului electric. În acest sens, motorul cu ardere internă va fi rotit uniform, printr-un control corespunzător al motorului electric, la o turaţie constantă de pornire. Printr-o comandă corespunzătoare a unghiului de deschidere a clapetei de acceleraţie şi a injectorului de combustibil, ambele pe bază de cartograme, motorul cu ardere internă va fi antrenat la turaţia de mers în gol, într-un regim de randament maxim, până când va fi capabil să menţină singur turaţia respectivă, iar sarcina motorului va creşte în funcţie de dorinţa conducătorului auto. Toate aceste avantaje ale utilizării vehiculului electric hibrid comparativ cu unul clasic alimentat cu aceeaşi energie sunt evidenţiate prin bilanţul energetic descris în Tabelul 1.1 [ ]. Valorile date sunt aproximative şi specifice unei anumite arhitecturi de vehicul hibrid. Aşa cum s-a precizat anterior, vehiculele electrice hibride au fost proiectate având ca obiectiv primordial îmbunătăţirea economiei de combustibil şi reducerea nivelului emisiilor poluante la valori care nu pot fi atinse prin
7
propulsarea cu motor cu ardere internă, indiferent de soluţiile tehnologice utilizate. Tabel 1-1 Vehicul Sursa de energie/ Vehicul electric convenţional Consumator hibrid (motor cu ardere internă) Combustibil 100 100 Pierderi în transmisie Pierderi la funcţionare în gol Pierderi în echipamentele auxiliare Piedrei în motorul cu ardere internă Recuperare prin frânare sau deccelerare Total Energie rămasă
-6
-6
0
-11
-2
-2
-30
-65
+4
0
66
16
Dat fiind faptul că într-un vehicul electric hibrid, motorul cu ardere internă reprezintă principalul factor de scădere a randamentului, unul dintre obiectivele strategiei de control îl reprezintă forţarea funcţionării motorului cu ardere internă doar în punctele de randament maxim şi în regimuri stabile de lucru. Celălalt obiectiv, la fel de important constă în controlul permanent al stării de încărcare şi asigurarea încărcării sau descărcării bateriei astfel încât funcţionarea ei să se realizeze în permanenţă cu randament maxim.
1.2. Criterii de clasificare a vehiculelor electrice hibride Deşi există o diversitate de soluţii constructive a vehiculelor electrice hibride concretizate într-o serie de prototipuri sau de produse de serie comercializate cu succes, o clasificare generală a acestora se poate face fie după modul de interconectare a celor două dispozitive de propulsie în cadrul liniei de tracţiune, fie după legătura dintre cele două surse de energie de la bord. După modul de interconectarea a celor două sau mai multe motoare în linia propulsoare, vehiculele electrice hibride se clasifică constructiv în trei categorii:
8
1. vehiculul electric hibrid serie (VEHS) în care propulsia este asigurată de un singur convertor de energie, de regulă cel alimentat prin energie electrică; 2. vehiculul electric hibrid paralel (VEHP) în care energia pentru propulsie este furnizată de două sau mai multe convertoare de energie, una primară (energie rezultată din arderea combustibilor fosili), respectiv una secundară sau auxiliară (de regulă, energie electrică); 3. vehiculul electric hibrid mixt (în configuraţie serie/paralel) VEHSP care, aşa cum sugerează şi denumirea, este combinaţie a celor două configuraţii anterioare. După interdependenţa dintre sursele de energie aflate la bord, vehiculele electrice hibride se pot clasifica în: a) cele cu autonomie de funcţionare extinsă utilizând energia electrică ca sursă primară pentru propulsie (Range-extender), RE; b) cele cu propulsia asigurată în principal de arderea combustibililor convenţionali şi susţinută electric de la o sursă auxiliară de energie electrică (Power-Assist), PA. În categoria RE intră în principal vehiculele electrice hibride pentru care sursa primară de propulsie este sursa de energie electrică, pentru aceasta fiind necesare baterii de mare capacitate şi gabarit, cu posibilitate de încărcare de la reţeaua locală de tensiune alternativă. Vehiculele hibride de tip RE funcţionează în cea mai mare parte a timpului în mod ZEV (ZeroEmission-Vehicle). Energia pe bază de combustibil (benzină, motorină, metanol), se foloseşte pentru a extinde domeniul de autonomie al vehiculului prin refacerea stării de încărcare a bateriei, SOC, cu ajutorul unui convertor de energie (generator, alternator). Motorul cu ardere internă este de putere redusă, 5-20 kW, suficient să propulseze vehiculul într-un trafic lejer la turaţie redusă, atunci când bateria este aproape de limita de descărcare până la o reţea electrică de reîncărcare. Există şi posibilitatea opririi vehiculului şi utilizarea motorului cu ardere internă ca sursă la bord pentru reîncărcarea bateriei. În configuraţia RE, motorul cu ardere internă împreună cu generatorul electric formează aşa numita sursă auxiliară de putere. Dacă nu se consideră sursa de înmagazinare a energiei electrice, caracteristicile respective sunt specifice unei configuraţii hibride serie cu transmisie electrică. Vehiculul electric hibrid din categoria PA (Power Assist) utilizează combustibilul convenţional ca sursă primară de energie utilizată în propulsie. Energia electrică este destinată să preia vârfurile şi să niveleze fluctuaţiile ce rezultă în timpul propulsiei prin energia rezultată din arderea combustibilului din rezervor. De regulă, un vehicul electric hibrid din această categorie este un vehicul convenţional propulsat printr-un motor cu
9
ardere internă care foloseşte însă o linie propulsoare hibridă tocmai pentru a eficientiza utilizarea şi distribuţia energiei. Caracteristicile respective sunt specifice configuraţiei hibride de tip paralel. Cercetările şi testele practice au demonstrat că vehiculele proiectate astfel încât motorul cu ardere internă să poată prelua componenta continuă de putere, iar motorul electric să furnizeze diferenţa dintre vârfurile de putere şi puterea motorului cu ardere internă rămâne varianta cea mai performantă de autovehicul ca eficienţă de funcţionare. O altă clasificare a vehiculelor electrice hibride privită tot prin prisma schimburilor energetice se referă la posibilităţile de refacere la bord a stării de încărcare a bateriei raportată la o anumită autonomie de funcţionare sau la un anumit test de deplasare standardizat. În conformitate cu acest criteriu, vehiculele hibride se pot clasifica într-una din următoarele două clase: A. cu refacerea şi menţinerea stării de încărcare - CS, (Charge Sustaining). În acest caz un vehicul electric hibrid este astfel proiectat încât să fie capabil să-şi menţină starea de încărcare corespunzătoare, în aproape toate condiţiile de funcţionare. Acesta este de altfel şi obiectivul primordial al strategiei de control pentru un astfel de sistem hibrid. Strategia CS asigură menţinerea stării de încărcare între două limite prestabilite, inferioară şi superioară. Pentru a asigura o funcţionare eficientă a bateriei şi a preveni descărcarea accentuată sau chiar deteriorarea bateriei, limita inferioară se alege de regulă nu mai mică de 55% din starea maximă de încărcare, iar limita superioară aproximativ 60-70% din valoarea maximă. De îndată ce limita minimă de încărcare a bateriei este atinsă, sistemul de control comută în starea de încărcare, în care o parte din puterea motorului cu ardere internă este utilizată pentru acţionarea generatorului. După atingerea pragului superior de încărcare, sistemul de control comută din nou în regimul de partajare a cuplului. Referinţa la această categorie îşi are sens doar raportată la un anumit traseu de parcurs, de regulă un ciclu de testare standardizat; B. cu descărcarea continuă a bateriei, CD, (Charge Depletion). În condiţiile normale de lucru, nefiind posibilă menţinerea stării de încărcare, propulsia vehiculului electric hibrid generează o “golire”, o epuizare progresivă a bateriei, astfel încât, atunci când starea de încărcare scade sub o anumită limită, reîncărcarea bateriei devine obligatorie. Reîncărcarea bateriei se poate face fie de la reţea, fie regenerativ din decelerări şi frânări, fie prin sursa auxiliară de energie aflată la bord (APU- Auxiliary Power Unit). O menţinere a stării de încărcare a bateriei la bordul unui astfel de vehicul nu ar fi un proiect practic (ca preţ, ca gabarit, etc.).
10
Şi pentru acest mod de clasificare trebuie făcută o precizare: există moduri de funcţionare de tip CS sau CD, respectiv arhitecturi hibride de tip CS sau CD, dar utilizarea acestor termeni trebuie făcută cu prudenţă. Se poate astfel afirma că modul de funcţionare fără poluare, ZEV este un mod de descărcare continuă a bateriei. Modurile de funcţionare ale vehiculelor electrice hibride sunt elemente ale strategiei de gestionare a resurselor energetice de la bord. După cum s-a arătat anterior, un vehicul electric hibrid poate dispune de un anumit set de moduri de funcţionare, de exemplu: cel specific vehiculelor propulsate clasic prin motor cu ardere internă, cel specific vehiculelor electrice având emisii nule, (ZEV), cu refacerea continuă a stării de încărcare de tip CS, cu reducerea continuă a încărcării bateriei de tip CD, cu recuperarea energiei cinetice (frânare recuperativă), sau cu consum redus de putere, precum şi multe altele. Sub aspect constructiv însă, un vehicul electric hibrid poate fi de tip CS sau CD. Astfel, vehiculul electric hibrid cu posibilităţi de refacere „on-line” a încărcării bateriei, adică de tip CS, poate funcţiona în modul CD cu descărcare continuă a bateriei. Tranziţia dintre modul CS şi modul CD va depinde doar de necesităţile energetice specifice unui anumit ciclu de parcurs şi de posibilităţile specifice ale componentelor electrice de generare şi consum a sarcinii aflate la bord. Important este faptul că pe ansamblu, bateria nu se va descărca sub limita bunei funcţionări, indiferent de regimul de funcţionare. Totuşi, un vehicul electric hibrid proiectat ca CD (de exemplu de tip ZEV) nu poate funcţiona oricând cu refacerea stării de încărcare a bateriei, decât numai în situaţiile în care solicitările energetice ale propulsiei sunt reduse. Clasificări ale propulsiilor hibride pot fi făcute şi după alte criterii, mai puţin importante printre care se pot aminti cele legate de tipul motorului cu ardere internă utilizat, respectiv după localizarea celor două motoare, motorul cu ardere internă şi motorul electric în raport cu transmisia finală. Ultimul caz se referă de fapt la plasarea motorului electric, fie de aceeaşi parte cu motorul cu ardere internă ca intrare în transmisia finală, fie după transmisie, aceasta din urmă acţionând efectiv doar asupra motorului cu arderă internă. Deoarece configuraţiile respective sunt specifice strict modului hibrid paralel, ele vor fi tratate în paragraful ce descrie arhitectura respectivă.
1.2. Vehicule electrice hibride de tip serie Vehiculul electric hibrid în configuraţie serie, VEHS, include ca sursă primară de propulsie, motorul electric şi ca sursă primară de energie, bateria, prin aceasta având multe aseamănări cu un vehicul electric. Cea de-
11
a doua sursă de energie poate fi de exemplu un generator acţionat de motorul cu ardere internă, bloc de celule solare, sau pile de combustie. Într-un vehicul electric hibrid serie, motorul electric propulsor poate fi alimentat atât de bateria de propulsie precum în configuraţia specifică unui vehicul pur electric, cât şi de sursa secundară de energie, sau invers, sursa alternativă de energie poate încărca bateria de propulsie independent şi/sau concomitent cu generearea forţei de propulsie. Altfel spus, sursa secundară de energie este utilizată, de exemplu, numai când puterea furnizată de baterie este insuficientă ca motorul electric să asigure un cuplu corespunzător cu solicitarea la roata motoare, sau când starea de încărcare a bateriei scade sub un anumit prag. Beneficiul configuraţiei serie constă în faptul că motorul cu ardere internă nu este cuplat cu roţilor motoare, propulsia rămânând numai în seama motorului electric. Acest lucru permite optimizarea funcţionării motorului cu ardere internă în regimuri de cuplu şi turaţie optime indiferent de sarcină şi fără trecerea prin stări tranzitorii. Rezultatul constă într-un consum redus de combustibil şi un nivel mult mai redus de emisii poluante comparativ cu un motor cu ardere internă convenţional, compatibil chiar cu cel al categoriei vehiculelor cu emisii nule, ZEV, atunci când propulsia se face doar în regim cu descărcare continuă a bateriei, sau când sursa secundară de energie utilizează pile de combustie cu hidrogen. Din acest motiv autovehiculele hibride serie sunt extrem de indicate pentru un trafic urban sau suburban aglomerat specific marilor oraşe. Atunci când sursa auxiliară de energie (motorul cu ardere internă MAI plus generatorul electric G) este utilizată pentru alimentarea motorului electric ME, bateria având rol de sursă secundară de energie, supravegherea stării de încărcare poate fi suprimată deoarece bateria generează doar în situaţii de criză, sau stochează surplusul de energie generat de sursa auxiliară. Când SOC scade sub un anumit nivel, bateria se poate reâncărca de la sursa auxiliară de energie (generatorul G) astfel încât o alimentare cu energie electrică externă de la o staţie specializată, nelipsită în cazul vehiculelor pur electrice, devine pentru vehiculele electrice hibride serie o operaţiune foarte rară sau chiar evitabilă. Fig.1.1 prezintă schema bloc a unui vehicul electric hibrid serie în care, sursa auxiliară de energie este reprezentată de un motor cu ardere internă, MAI, ce antrenează un generator electric G. Motorul electric ME antrenează axul roţilor motoare printr-un angrenaj diferenţial sau un alt dispozitiv echivalent. Motorul electric este alimentat cu energie electrică de la bateria de propulsie prin intermediul unui convertor de putere având funcţionare reversibilă. Astfel, în timpul frânării motorul funcţionează ca frână electrică, iar energia provenită din frânare este convertită în energie electrică şi utilizată pentru încărcarea bateriei tot prin intermediul convertorului de putere. Deoarece motorul electric este de obicei de curent
12
alternativ, AC, iar încărcarea bateriei se face în curent continuu, DC, convertorul de putere poate funcţiona atât ca invertor (transformă energia electrică din curent continuu în curent alternativ) cât şi ca redresor (transformă energia electrică din curent alternativ în curent continuu). Funcţionarea sa este comandată de către o unitate electronică de control, UEC pilotată de microprocesor în raport cu semnalele primite de la senzorii de turaţie ai motorului electric şi de unghi al clapetei de acceleraţie. În acest fel se asigură o adaptare a cuplului de ieşire al motorului electric cu regimul de funcţionare cerut de conducătorul vehiculului.
Fig.1.1 Vehicul electric hibrid în configuraţie serie La rândul ei, bateria este conectată la un generator G acţionat de motorul de ardere internă tot prin intermediul unui convertor de putere care are în acest caz doar o funcţie de redresor. Energia electrică generată poate fi utilizată deci la încărcarea bateriei prin intermediul convertorului de putere redresor sau poate fi utilizată pentru alimentarea motorului electric prin intermediul primului convertor de putere. Atunci când bateria nu poate furniza suficientă energie motorului electric, sau când starea de încărcare, scade sub un anumit prag, UEC va comanda pornirea starterului pentru a porni motorul cu ardere internă. Când motorul cu ardere internă funcţionează, unitatea electronică de control comandă generatorul G astfel încât turaţia motorului cu ardere internă măsurată de senzorul de turaţie N2
13
să nu aibă variaţii bruşte şi astfel să asigure un consum şi un nivel de emisii poluante mai reduse comparativ cu cele ale unui vehicul convenţional generând aceaşi putere. În acelaşi timp, UEC controlează puterea electrică generată de generatorul G sau turaţia motorului cu ardere internă MAI astfel încât starea de încărcare a bateriei detectată de traductorul SOC să rămână în limite prestabilite, evitându-se variaţii bruşte şi excesive precum cele specifice vehiculelor electrice clasice. De regulă, există două strategii de control a unui vehicul electric în configuraţie serie. În prima strategie generatorul este antrenat de motorul cu ardere internă MAI până la atingerea unui anumit nivel al stării de încărcare a bateriei, moment în care motorul cu ardere internă este oprit. Vehiculul funcţionează în regim ZEV cu epuizarea bateriei (CD) până când starea de încărcare SOC atinge un nivel limită inferior. În acel moment, motorul cu ardere internă MAI este din nou pornit pentru a antrena generatorul. Deoarece întreg acest proces de reglare de tip “totul/nimic” (on/off) seamănă cu cel de menţinere a unei temperaturi constante, în acest caz starea bateriei, modul de funcţionare respectiv este cunoscut sub numele “termostat”. În acestă strategie, motorul cu ardere internă funcţionează independent de regimul de lucru al vehiculului. În cea de-a doua strategie de control al vehiculului electric hibrid serie, motorul termic este în funcţiune tot timpul şi regimurile sale de funcţionare urmăresc, cu anumite limite, cerinţele de sarcină ale vehiculului. Nu este însă vorba de susţinerea propulsiei vehiculului, ci de a asigura existenţa unei energii necesare pentru motorul electric ME indiferent de regimul la care acesta este supus. Pe parcursul unor solicitări crescute în propulsie, sarcina motorului electric se măreşte considerabil, curentul absorbit de la baterie creşte solicitând direct generatorul şi indirect motorul cu aredere internă MAI. În timpul decelerărilor sau frânării, sarcina scade brusc, puterea generatorului se reduce la fel ca şi sarcina motorului cu ardere internă. Vehiculul electric hibrid serie oferă, comparativ cu celelalte variante, o mai mare autonomie privind alegerea, plasarea şi strategia de control a sursei auxiliare de energie. În locul motoarelor termice pot fi utilizate turbine, motoare rotative Stirling, sau pile de combustie. Deoarece sursa auxiliară de energie nu trebuie plasată în imediata apropiere a arborelui motor, pot fi concepute diverse variante de caroserii, optimizate sub aspectul preţului, gabaritului şi funcţionabilităţii. Dezavantajele vehiculelor electrice hibride serie provin din pierderile de randament survenite în conversiile succesive de energie: energie mecanică în energie electrică şi apoi energie electrică în energie mecanică de propulsie. Pierderi suplimentare rezultă din stocarea energiei în bateriile de acumulatori în intenţia unei viitoare utilizări. Din această energie doar o anumită parte se returnează datorită rezistenţei interne a bateriei, rezistenţei
14
interne şi randamentului generatorului. Altfel spus, ceea ce se câştigă prin funcţionarea motorului cu ardere internă cu randament maxim se pierde datorită ineficienţei conversiilor energetice electrochimice. Din acest motiv, în circuit interurban, consumul de combustibil este mai mare comparativ cu cel al variantelor hibride de tip paralel. De asemenea, performanţele dinamice ale vehiculului hibrid serie sunt limitate datorită imposibilităţii de suplimentare sau de asistare a sursei electrice de tracţiune în propulsia vehiculului. Pe baza analizei performanţelor diferitelor prototipuri realizate de vehicule electrice hibride de tip serie s-a dovedit că aceste vehicule sunt mai scumpe şi mai puţin eficiente decât decât vehiculele electrice hibride de tip paralel [ 2 ].
1.3.Vehicule electrice hibride de tip paralel În vehiculele electrice hibride de tip paralel ambele motoare, motorul cu ardere internă MAI, respectiv motorul electric ME sunt utilizate ca sursă de cuplu pentru propulsie. Aşa cum se observă din Fig.1.2 motorul cu arderă internă MAI este conectat la roţile motoare la fel ca la un vehicul convenţional cu diferenţa că, tot la axul roţilor motoare acţionează şi motorul electric.
Fig.1.2 Vehicul electric hibrid în configuraţie de tip paralel
15
Maşina electrică are o funcţionare reversibilă, atât ca motor cât şi ca generator. Există configuraţii funcţionale care pe lângă motorul electric (asincron, de curent continuu fără perii, sincron) utilizează şi un generator G cuplat în permanenţă la motorul cu ardere internă MAI sau, mai general două maşini electrice ce pot funcţiona independent atât ca motor cât şi ca generator. Cele mai utilizate pentru acest scop sunt motoarele sincrone fără perii şi motoarele cu reluctanţă variabilă. În configuraţia de tip paralel, motorul cu arderă internă MAI este cel care asigură în mare parte forţa de propulsie, în timp ce maşina electrică, ME/G suplimentează cuplul necesar în regimurile de variaţie bruscă a cuplului la roata motoare, precum în accelerări sau decelerări.Comparativ cu un vehicul convenţional, vehiculul electric hibrid de tip paralel (VEHP) asigură o reducere atât a nivelului emisiilor poluante cât şi a consumului, tocmai prin acestă suplimentare de putere externă asigurată de maşina electrică ME/G în regimurile tranzitorii de funcţionare a motorului cu ardere internă MAI. Bateria este necesară atât pornirii motorului cu ardere internă MAI cât şi alimentării cu energie electrică a maşinii electrice ME/G la funcţionarea ca motor. Atunci când maşina electrică ME/G funcţionează în regim de generator, bateria va stoca energia electrică produsă în funcţie de indicaţia blocului de supraveghere a stării de încărcare. Ca urmare, vehiculul electric hibrid de tip paralel reprezintă un vehicul cu motor cu ardere internă ce conţine în plus, o maşină electrică reversibilă şi o baterie de stocare a energiei electrice. Dat fiind faptul că motorul electric asistă doar motorul cu ardere internă MAI şi numai în anumite regimuri de lucru, fără a deveni forţa principală propulsoare, bateria de stocare are un volum relativ redus comparativ cu celelalte variante constructive de vehicule hibride. Pentru a funcţiona cu eficienţă maximă din punct de vedere al consumului şi al reducerii nivelului emisiilor poluante, motorul cu ardere internă are regimul de lucru fixat în apropierea punctului de sarcină maximă, iar turaţia sa trebuie menţinută cât mai constantă. Din acest motiv, vehiculele electrice hibride de tip paralel trebuiesc construite cu MAI având raportul dintre puterea şi masa motorului în [kW/kg] cât mai mare. De regulă sunt preferate motoarele mai mici, mai uşoare, creşterea în putere rezultând prin utilizarea unor tehnologii avansate precum distribuţia variabilă cu ciclul de admisie extins, obturatorul galeriei de admisie controlat integral electronic, controlul simultan al debitului prin galeriile de admisie şi evacuare în vederea reducerii întârzirilor de umplere, etc. Utilizarea unor motoare mai mari conduce la înrăutăţirea consumului şi al nivelului emisiilor, fiind justificată doar în situaţiile de urgenţă când, fie din cauza stării de descărcare a bateriei, fie din cauza altor defecte, propulsia vehiculului rămâne doar în sarcina motorului cu ardere internă.
16
Ambele surse de propulsie sunt cuplate la roţile motoare prin intermediul unei transmisii cu mai multe trepte (manuale, automate sau continuu variabile CVT) şi un distribuitor de cuplu de tip planetar. Aceasta face ca motorul cu ardere internă MAI să preia din plin regimurile tranzitorii având însă avantajul unui sprijin din partea motorului electric. Într-un vehicul hibrid în configuraţie tip paralel există în principiu, două strategii de funcţionare a motorului electric ME: ca furnizor de forţă de propulsie în momentele de solicitare maximă a motorului cu ardere internă MAI, respectiv ca “stabilizator” al sarcinii motorului MAI. Prima modalitate de asistare a motorului cu ardere internă se referă la situaţiile în care posibilităţile acestuia de a răspunde rapid la diferite accelerări sunt insuficiente, regimuri în care motorul electric ME intervine aducând surplusul necesar de putere, ceea ce determină o reducere a consumului şi nivelului de emisii ale motorului cu ardere internă MAI, crescute de regulă pentru aceste regimuri. Trebuie remarcat la această strategie că vehiculul electric hibrid funcţionează în regim de consumator de energie electrică numai în situaţiile în care bateria este într-o stare de încărcare adecvată. În acest caz avem de-a face cu un vehicul electric hibrid de tip paralel în configuraţie CS (cu susţinere a stării de încărcare a bateriei). Strategia de stabilizare a sarcinii impune funcţionarea motorului cu ardere internă MAI în regimuri stabile cu randament ridicat şi cu evitarea oricăror regimuri tranzitorii, regimuri în care o parte din sarcina propulsiei este preluată de motorul electric ME în timp ce motorul cu ardere internă MAI funcţionează numai în regimuri stabile cu randament maxim. Atfel, în regimurile de sarcină redusă, motorul cu ardere internă este decuplat de la transmisie şi oprit sau, este folosit doar pentru regenerarea stării bateriei. Din punct de vedere structurii părţii electrice a lanţului propulsor, la arhitectura paralelă se deosebesc două tipuri de sisteme electrice hibride utilizate cu precădere de producătorii de autovehicule: semi şi integral hibride. Ambele combină propulsia mecanică pe bază de combustibili cu cea electrică pentru obţinerea unor reduceri de consum şi emisii poluante. Sistemele integral hibride (IH) pot să beneficieze independent de propulsie strict mecanică sau strict electrică, ori de ambele simultan, iar procentul de putere electrică în propulsie este mai însemnat. Sistemele semihibride (SH) includ frânare de tip regenerativ, posibilitate de asistare a MAI în regimurile în care acesta are nevoie de susţinere în propulsie, dar nu permit o propulsie strict electrică. Trebuie făcută precizarea că moroarele cu ardere internă prevăzute cu dispozitive integrate de tip starter/generator (vezi Fig. a şi b) specifice noii arhitecturi a sistemelor electrice de 42V nu sunt considerate vehicule hibride. Ele au o capacitate de propulsie limitată, fiind utilizate doar la pornirea vehiculului cu energie de tip electric, iar capacitatea de
17
recuperare în regimurile de frânare este redusă datorită puterii relativ reduse a generatorului şi mai ales a bateriei electrice.
Fig.1- a. Starter/Alternator integrat Fig.1- b. Starter/Alternator integrat şi pe motor Honda distribuţie electromagnetică [Visteon] Din punctul de vedere al propulsiei, scopul primar al sistemelor de tip starter/alternator integrat, ISA se referă la pornirea rapidă a motorului oprit în regimurile de mers în gol (regim start/stop), specifice cozilor de aşteptare prezente în traficul aglomerat. Regimurile start/stop au urmări deosebit de benefice în ceea ce priveşte reducerea consumului de combustibil şi a nivelelor de poluare. O altă funcţiune a sistemelor ISA constă în stabilizarea turaţiei de mers în gol a MAI atunci când activarea unor consumatori electrici importanţi perturbă mersul uniform al motorului. Gradul de hibridizare ”semi” şi ”integral” se referă în principiu la modul şi mai ales procentul de partajare a forţei de propulsie între MAI şi motorul electric. Astfel într-o configuraţie paralel SH aportul motorului electric nu depăşeşte în principiu 15 ÷ 20% din totalul forţei de propulsie a lanţului propulsor hibrid. În cazul configuraţiei IH contribuţia motorului electric la propulsie se situează între 25 ÷ 40% din totalul forţei propulsoare. Diferenţa esenţială între configuraţia IH şi SH constă în faptul că prima permite porniri sau rulări în regimuri parţiale de sarcină redusă în modul electric pur fiind astfel capabilă de funcţionare în domeniul ZEV (Zero Emission Vehicle). În practică, configuraţia paralelă este de tipul semi hibrid (mild hybrid) în timp ce configuraţia mixtă cu partajare a cuplului se construieşte în formă integral hibridă (full hybrid). Elementul de bază care limitează propulsia pur electrică şi autonomia într-un regim de funcţionare ZEV este bateria şi preţul încă foarte ridicat al
18
ei. Din acest motiv, primele autovehicule hibride de serie (Toyota Prius, Honda Insight, Nissan Tino) dispuneau de o capacitate relativ limitată a bateriei fapt ce nu le permitea funcţionarea susţinută într-un regim pur electric. O dată cu creşterea numărului de vehicule hibride comercializate preţul bateriilor va scădea determinând o mărire a autonomiei la 30 ÷ 60 km, respectiv o scădere a preţului la aproximativ 1,5 €/100 km. Toyota Prius THSII, cea mai avansata arhitectură integral hibridă existentă la momentul redactării acestei lucrări dispune de o autonomie de maximum 2 km la o viteză de vârf de 50 km/h în modul pur electric, EV. În fine, o altă clasificare a arhitecturii hibride paralele are în vedere dispunerea elementelor lanţului propulsor, MAI, ME/G, Transmisie, respectiv numărul de axe motoare, generatoare de forţă propulsoare existente în lanţul de propulsie (uneori acest concept vizează mai curând coliniaritatea, respectiv dispunerea paralelă a axelor arborilor motori). Se deosebesc astfel configuraţii cu axă comună, cu două sau cu trei axe. În configuraţia cu o singură axă MAI, Transmisia şi ME sunt aşezate coliniar pe aceeaşi axă. În funcţie de plasarea ME după transmisie sau între MAI şi transmisia finală distingem două arhitecturi distincte. Aşa cum se va arăta în continuare, atunci când configuraţia lanţului propulsor include două maşini electrice conectate cu motorul cu ardere internă şi arborele de ieşire printr-un mecanism de tip planetar, utilizarea unei transmisii finale nu mai este necesară. Din contră, arhitectura hibridă care conţine o singură maşină electrică de tip motor/generator cuplată cu MAI va necesita includerea unei transmisii automate, TA sau continuu variabile, CVT (mai rar transmisie mecanică) plasată într-una din cele două configuraţii prezente în Fig. . În configuraţia a maşina electrică reversibilă ME/G poate fi cuplată direct la roţi sau între transmisie şi roţi. Dacă rotorul se plasează direct pe arborele secundar al transmisiei, în timpul frânării sau a regimului de frână de motor, MAI este antrenat de generator a cărui randament de producere a energiei electrice scade datorită frecărilor inerţiale între piesele aflate în mişcare de rotaţie cu atât mai importante cu cât turaţia arborelui cotit este mare. Deoarece raportul invers de transmisie are valoarea minimă în priza directă sau în suprapriză, sistemul electronic de comandă va asigura cuplarea în aceste trepte atunci când este detectat un regim de frânare regenerativă. În configuraţia b maşina electrică reversibilă este intercalată între MAI şi transmisie fiind cuplată la arborele cotit prin intermediul unui ambreiaj A. Strategia de selectare a treptei de viteză în regimuri regenerative de energie electrică va trebui aleasă în raport cu starea MAI. Dacă MAI este oprit, unitatea de control comandă decuplarea ambreiajului A şi selectează o treaptă de viteză care să optimizeze funcţionarea regimul generatorului G. În acest caz MAI nu constituie o sarcină la arborele rotorului astfel încât va fi
19
selectată o treaptă care să optimizeze randamentul de funcţionare al maşinii electrice.
Fig.
Configuraţii paralele de tip SH cu o singură axă şi transmisie automată
Dacă motorul nu este oprit, dar funcţionează ca o frână (sistemul electronic de injecţie opreşte alimentarea cu combustibil), iar ambreiajul A rămâne cuplat, treapta de viteză selectată de UCE transmisie va urmări să oprească MAI într-un mod cât mai eficient pentru regimul regenerativ de energie electrică. Se alege astfel una din treptele superioare care să reducă sarcina pe axul generatorului şi să permită optimizarea atât a frânării cât şi a încărcării bateriei prin controlul valorii curentului generat. Dacă sarcina la arborele generatorului este deja crescută (prin forţarea arborelui cotit la turaţii mari), randamentul de generare va fi oarecum limitat. Pe scurt, strategia de control determină dacă MAI este oprit, în care caz treapta de viteză se selectează pentru a obţine un randament maxim al ME/G, iar dacă MAI funcţionează se va selecta o treaptă de viteză superioară care să asigure în mod direct optimizarea funcţionării acestuia şi indirect, prin reducerea sarcinii la ax, mărirea randamentului generatorului. În strategia respectivă poate fi luată în consideraţie şi optimizarea stării de încărcare a bateriei, SOC, alegerea treptei de viteze optime devenind şi mai complicată. Cele discutate anterior se referă la regimul de funcţionare al autovehiculului în regim regenerativ de energie (frână de motor, frână de serviciu, coborâre pante), aşa numite de cuplu negativ. În regimurile de cuplu pozitiv ale MAI, strategiile de selectare a treptelor de viteză urmăresc fie funcţionarea optimă a acestuia (randament maxim ηˆ MAI ), fie a întregului
20
lanţ de transmisie a cuplului ( max[η MAI (T, n ) ⋅ g i ] ) exprimat prin produsul dintre randamentul MAI şi raportul de transmisie a cutiei de viteze. Atunci când în configuraţia hibridă paralelă este inclusă o transmisie care funcţionează după principiile unui lanţ propulsor convenţional, nu va fi posibilă selectarea, nici în mod automat şi mai ales, nici manual a treptei de viteză optimă care să ia în considerare sporul sau din contră, consumul de cuplu determinat de intervenţia motorului electric, respectiv generatorului în propulsia autovehiculului. Într-o transmisie convenţională (manuală sau automată) treapta de viteză se alege în raport cu specificul variaţiilor de viteză şi a plusului de accelerare dorit. În Fig. sunt prezentate principalele caracteristici (cuplu, putere, consum specific, tracţiune şi izoconsum) în cazul unui autovehicul convenţional. Caracteristica cuplului Tm (ω) şi a puterii P(ω) (Fig. - a ) se referă strict la performanţa motorului definită între o limită minimă şi maximă de turaţie a arborelui cotit ( n m ). Un parametru important al motorului este gradientul de creştere al cuplului (prin reducerea turaţiei de la valoarea ei maximă, n max cuplul disponibil creşte pe ramura cu +), numit coeficient de adaptabilitate la tracţiune şi definit ca raportul procentual dintre valoarea cuplului la turaţia maximă, T(n max ) şi valoarea maximă a cuplului: c t [%] =
T (n max ) ⋅ 100 Tmax
()
Aşa cum arată şi numele, coeficientul de adaptabilitate, cu cât este mai ridicat ca valoare permite motorului să răspundă mai bine la reduceri ale puterii datorate, spre exemplu unor creşteri în salt a forţelor de rezistenţă la înaintare, în sensul restaurării regimului de funcţionare avut anterior. În cazul unor valori reduse ale lui c t astfel de destabilizări ale cuplului de tracţiune pot genera scăderea accentuată a puterii sau chiar calarea motorului dacă nu se efectuează schimbarea rapidă a treptei de viteză. Este important de amintit că dacă cuplul alunecă pe porţiunea negativă a caracteristicii (în stânga valorii Tmax ) funcţionarea motorului poate deveni instabilă, forţa sa de tracţiune reducându-se semnificativ. Pe această ramură a cuplului, gradientul de creştere este prin urmare negativ. Coeficientul de adaptabilitate poate fi astfel comparat cu un tampon de cuplu de rezervă a cărui utilitate se reflectă şi în necesitatea de schimbare mai rară sau mai deasă a treptelor de viteză pentru un acelaşi traseu sau suită de regimuri ale motorului. Rolul transmisiei constă în schimbarea manuală sau automată a treptelor de viteză tocmai pentru a permite poziţionarea în permanenţă pe
21
ramura cu gradient pozitiv de creştere a cuplului în diversele limitări şi schimbări de regim de viteză impuse de condiţiile de drum.
Fig. Caracteristicile de cuplu, putere, dinamice şi izoconsum pentru un autovehicul cu lanţ propulsor convenţional Transmisia modifică cuplul şi turaţia motorului, adaptându-le solicitărilor de tracţiune curente ale autovehiculului exprimate prin rezistenţa la înaintare (rezistenţa la rulare, rezistenţa aerodinamică, proiecţia încărcării normale a roţii pe planul de rulare în cazul pantelor ascendente,
22
etc.). Astfel, unui punct pe diagrama cuplului corespunzător unui regim al motorului (Tm , n m ) îi corespund unul sau mai multe puncte (Fr , v r )i pe caracteristica dinamică a autovehiculului (Fig. –b) unde Fr reprezintă forţa de tracţiune în treapta de viteză i, iar v r viteza la roată sau de deplasare a vehiculului în treapta respectivă. Relaţiile de transformare rezultă din formulele:
T Fr (i ) = i ⋅ m , r
π⋅ nm 1 v(i ) = ⋅ r ⋅ i 30
()
Sistemele de transmisie automată, TA, sau cele cu raport de transmisie continuu, CVT urmăresc nu numai poziţionarea regimului motor pe ramura pozitivă a cuplului ci şi în zona de consumuri specifice minime (regiunea umbrită din Fig. –a) situată de regulă imediat după regiunea de vârf a cuplului la ecart de câteva sute de rpm . Deoarece caracteristicile de performanţă arată că motorul nu poate funcţiona simultan în regim de cuplu şi putere maxime, respectiv consum specific minim, sistemele de control electronic ale lanţului propulsor (injecţie, transmisie) vor selecta în funcţie de dorinţa conducătorului auto exprimată prin intermediul pedalei de acceleraţie dar şi a condiţiilor de drum şi sarcină, fie regimul de cuplu maxim pentru a obţine o forţă de tracţiune maximă la viteza respectivă, fie zona polilor de consum minim (vezi Fig. –c) pentru îmbunătăţirea economiei de carburant şi minimizarea nivelului de uzură şi zgomot ale motorului. În cazul transmisiilor manuale alegerea treptelor rămâne la latitudinea conducătorului auto astfel încât performanţele de consum şi eficienţă sunt mai reduse. Indiferent de tipul transmisiei, se poate afirma ca o regulă general valabilă că un număr superior de trepte de viteză permite o mai bună accelerare a vehiculului simultan cu o reducere a turaţiei motorului atunci când sunt utilizate treptele maxime de transmisie, precum şi o reducere a consumului de combustibil, gradului de uzură şi a nivelului de zgomot ale motorului. Forţa ideală de tracţiune produsă de un lanţ propulsor ce dezvoltă o putere constantă va avea o variaţie continuă pe tot domeniul de viteză, de la cea minimă de pornire la viteza maximă. Forma acestei variaţii este cea a unei hiperbole şi rezultă din relaţiile următoare: F (i ) ⋅ r v r (i ) ⋅ i ⋅ = Fr ⋅ v r = ct. P = Tm ⋅ ω = r i r 1 ⋅ (P = ct.) Fr = vr
23
()
Practic însă, ca urmare a decuplării motorului de transmisie în operaţiile de schimbare a treptelor de viteză, continuitatea curbei de tracţiune va fi întreruptă în aceste puncte de discontinuitate în care se înregistrează o cădere bruscă a forţei de propulsie. Dacă coeficientul de adaptabilitate (rezerva tampon de cuplu) este suficient de mare, iar încărcarea pe roată moderată (corespunzător autoturismelor şi vehiculelor uşoare), pierderea de viteză şi degradarea performanţelor dinamice sunt relativ reduse prin utilizarea unei transmisii cu şase, cel mai adesea cinci sau uneori chiar patru trepte de viteză.
Fig. Diagrama de schimbare a treptelor de viteză în cazul unei transmisii cu cinci, respectiv 8 trepte În cazul vehiculelor grele, căderile de turaţie ale motorului la schimbarea treptelor devin suficient de ample încât recuperarea cuplului devine greoaie şi lentă, acest lucru repercutându-se şi asupra confortului
24
ocupanţilor. Pentru a reduce amplitudinea căderilor de turaţie ale motorului este necesară reducerea ecartului dintre treptele vecine, cu alte cuvinte mărirea numărului treptelor transmisiei. Acest lucru este demonstrat în Fig. unde se observă că în cazul celor opt trepte căderile de turaţie sunt evident mai reduse, turaţia motorului reuşind să fie menţinută între cea maximă, n max şi cea a valorii maxime a cuplului, n T max , practic în zona pozitivă a coeficientului de adaptabilitate. În cazul acestor tipuri de autovehicule, pentru obţinerea unui număr dublu de trepte de viteză este mai comodă asocierea la transmisia primară cu patru, cinci sau şase trepte a unei transmisii auxiliare, plasată în faţa sau în spatele ei rezultând o transmisie compusă cu opt, zece sau douăsprezece trepte. La transmisiile automate schimbarea treptelor de viteză este comandată automat de către o unitate de control electronic a transmisiei pe baza unor informaţii de la senzorii pedalei de acceleraţie, vitezei autovehiculului, turaţiei motorului şi stării de încărcare a bateriei în cazul propulsiilor hibride precum şi a unor cartograme de schimbare a treptelor. Dacă, spre exemplu este detectată o apăsare bruscă a pedalei de acceleraţie ca urmare a unei solicitări din partea conducătorului auto de un plus de putere, unitatea electronică de control a transmisie, UCE-T va comuta pe o treaptă inferioară de viteză care să asigure sporul necesar de tracţiune. Procesul de comutare automată a treptelor de viteză în cazul unei transmisii integrate într-un lanţ propulsor hibrid se bazează pe strategii oarecum diferite de cele valabile în cazul propulsiei convenţionale. Intervenţia maşinii electrice reversibile va determina o diferenţă între cuplul cerut de conducătorul auto, Tcerut şi cuplul disponibil la ieşirea lanţului propulsor, fie prin suplimentare când asistă MAI , fie prin diminuare când generează curent electric. Un exemplu de strategie ce poate fi aplicată la schimbarea treptelor în lanţul propulsor hibrid prevăzut cu o singură maşină electrică reversibilă (nu sunt luate în considerare eventualele echipamente electrice auxiliare precum starterul sau alternatorul) este cea exemplificată în Fig. . Pe figură este figurată caracteristica optimă de tracţiune (randament maxim) în funcţie de viteza vehiculului în două trepte diferite, Tri şi Tr j , de
regulă succesive, cu i < j (raportul de transmisie variază invers proporţional, g i > g j ). Pentru fiecare caracteristică se obţin alte două noi caracteristici de tracţiune rezultate prin translatare superioară şi inferioară cu TME şi TG reprezentând cuplul aditiv al motorului electric, respectiv cuplul substractiv al generatorului electric. Dacă punctul curent de solicitare exprimat de conducătorul auto prin pedala de acceleraţie, A(Tri , v ) se află sub caracteristica Tr j , atunci, selecţia prizei superioare este indicată. Dacă
25
punctul de regim se află între cele două trepte, B(Tri , v ) , în principiu ambele trepte pot fi alese, practic însă este preferată treapta superioară. Este foarte important de precizat că algoritmul de selecţie trebuie să utilizeze conversiile cuplurilor MAI , ME sau G la axa arborelui motor, iar în cazul celor două configuraţii din Fig. să se ţină seama că ME/G poate să-şi modifice parametrii de ieşire (cuplu, turaţie) dacă sunt trecuţi prin transmisie (cazul b ). Algoritmii de selecţie din UCE-T se bazează tot pe date furnizate de cartograme care precizează cuplul în treapta i în care MAI funcţionează cu economicitate maximă (caracteristici de izoconsum), în zona polilor economici, Tm η max , sau în cazul maşinii electrice cu randament maxim, Te η max , Tg η max pentru ME , respectiv G . Condiţia de selectare a treptei de viteză se poate exprima matematic prin relaţia:
( )
( )
Tm η max (i , v ) − Tg η max i * , v ≤ Tcerut ≤ Tm η max (i , v ) + Te η max i * , v
()
unde i* este ignorat în configuraţia b .
Fig. Strategia de control a schimbării treptelor de viteză într-un lanţ propulsor hibrid cu optimizarea consumurilor MAI Diferenţa dintre Te η max (i , v ) − Tcerut este compensată automat în cadrul strategiei de control, fie cu ajutorul generatorului fie cu motorul electric, în funcţie de semn. Astfel, în cazul punctului A(T1 , v1 ) , puterea MAI se situează pe curba Tr j peste cea cerută de conducătorul auto, diferenţa va putea fi utilizată pentru acţionarea generatorului. Din contră, în punctul de funcţionare B(T2 , v 2 ) puterea cerută este superioară celei disponibile la MAI pentru viteze superioare însă, spre deosebire de lanţul de propulsie convenţional nu se trece pe treapta inferioară ci pe cea imediat superioară urmând ca diferenţa de cuplu să fie asigurată de motorul electric.
26
Rezumând, se poate afirma că strategia de control prezentată comandă selecţia treptei de viteză pe baza diferenţei dintre puterea cerută şi cea disponibilă urmărind ca obiectiv primar optimizarea funcţionării MAI (regimuri de economicitate maximă, poluare şi zgomot redus), diferenţa de putere rezultată fiind eliberată sau absorbită (în funcţie de semn) de maşina electrică reversibilă. La baza algoritmului de control stă cartograma de izoconsum (sau randament) a MAI (vezi Fig. ), respectiv cea de eficienţă a ME/G . Prin suplimentarea sau reducerea automată a unei anumite puteri, maşina electrică permite o reducere a necesarului de trepte de viteză într-un lanţ propusor hibrid. Schimbarea modului de funcţionare, mecanic/electric va trebui să ia în considerare, pentru regimurile în care există rezervă de putere de propulsie, care este consumul optim în cele două modalităţi de obţinere a energiei. În Fig. este prezentată o modalitate de schimbare a treptelor de viteză atunci când, datorită modificării cuplului de rulare cerut la roţi se schimbă şi viteza de înaintare fără a modifica turaţia şi puterea MAI , acesta funcţionând în zonele de economicitate optimă.
Fig. Strategie de modificare a treptei de viteză la modificarea puterii şi vitezei cerute pentru MAI, în regim de generare energie electrică Iniţial, în funcţie de unghiul clapetei de acceleraţie şi turaţia MAI este determinat cuplul motor necesar învingerii rezistenţei la înaintare, T m
27
folosind cartograma de cuplu. Regimul (Tm , ω m ) şi viteza curentă de înaintare v sunt utilizate pentru estimarea puterii necesare de învingere a rezistenţelor de rulare, Pr . Pe baza acestor mărimi, din cartograma de izoconsum a motorului este definit un punct A pe linia de consum minimal ~ ~ ~ definit prin coordonatele Tm , ω m . În situaţia în care Pm > PrA , regimul ~ definit de punctul A, aflat pe caracteristica de putere constantă Pm este
(
)
a
caracterizat pentru exemplul din figură, de viteza v 2 în treapta II şi o ~ putere disponibilă Pm − PrA = Pg folosită pentru antrenarea generatorului şi refacerea stării bateriei. În caz contrar, regimul respectiv nu permite generarea de energie electrică existând fie soluţia ascensiunii pe linia de consum minimal cu sprijinul motorului electric, fie comutarea pe o altă cartogramă de izoconsum specifică unui alt dozaj, spre exemplu prin trecerea de la amestecuri sărace la cel stoichiometric. ~ Spre deosebire de Pm , PrA reflectă o mărime instantanee ce depinde de raportul de transmisie i CVT şi randamentul transmisiei ηCVT . Schema organigramei de control este prezentată în Fig. . Trebuie subliniat că, date fiind condiţiile de rulare şi comenzile conducătorului auto, fără acest consum de putere de către generator, MAI nu ar putea fi antrenat în regimul optimal.
Fig. Blocul de control al CVT are ca sarcină modificarea continuă a raportului de transmisie i CVT astfel încât, la variaţii ale vitezei de deplasare a autovehiculului v , turaţia motorului să fie menţinută la valoarea ~ n m , iar ~ puterea la valoarea stabilă Pm . Este mult mai simplu de a menţine turaţia MAI constantă reglând continuu raportul de transmisie al CVT decât printr-
28
un control complex al motorului prin reglarea aprinderii, alimentării şi cuplului. Calculul raportului de transmisie instantaneu se face după relaţia: v r [km / h ] =
2 ⋅ π ⋅ r 60 ⋅ n m [rpm] ⋅ 1000 i CVT ⋅ i f
()
unde r este raza roţilor în metri, iar i f raportul de transmisie al etajului final şi diferenţial de după CVT. Astfel, dacă regimul de rulare se schimbă, fiind caracterizat printr-o altă viteză cerută v 3 , în condiţiile unei rezistenţe de rulare ce solicită o putere echivalentă Pr B , noul punct de funcţionare este deplasat pe curba de putere constantă în punctul B, MAI menţinându-şi astfel neschimbat randamentul optimal, iar prin modificarea corespunzătoare a raportului de n m va putea fi şi ea menţinută transmisie, i CVT , turaţia motorului ~ constantă. Se observă că o creştere a rezistenţei la înaintare şi a vitezei au drept consecinţe reducerea puterii primite de generator, respectiv a energiei electrice obţinute. Din acest exemplu se poate desprinde o concluzie deosebit de importante pentru strategia de control a propulsiei hibride: Atunci când disponibilităţile de putere o permit, MAI este menţinut într-un regim optimal acoperitor de putere, variaţiile datorate condiţiilor diferite de rulare sau regimurilor distincte impuse de conducătorul auto şi reflectate la roată fiind absorbite printr-o modificare corespunzătoare a cuplului generatorului, Pg în funcţie de Pr . Invers, atunci când disponibilităţile de putere nu o permit, regimul de funcţionare al MAI va fi menţinut de asemenea stabil suplimentând variaţiile de cuplu de rulare prin comanda motorului electric. Când rezerva de putere o permite (ca în cazul exemplului prezentat mai sus), unitatea de control va trebui să decidă însă care dintre modurile de funcţionare este mai economic , cel pur mecanic sau cel pur electric, fiindcă dacă se ia în considerare criteriul emisiilor poluante, alegerea este evidentă. Pentru calculul consumurilor necesare în cele două moduri de propulsie sunt utilizate cartogramele de izoconsum şi randament ale celor două motoare, cartograme prezentate în Fig. . Astfel, consumul MAI se poate aproxima cu c MAI = c i ⋅ Pcerut , c i fiind izoconsumul (consumul specific) la intersecţia cu hiperbola caracteristicii de putere constantă Pm = Pcerut pentru unghiul de deschidere al clapetei curent. Prin urmare c i este legat de regimul actual de rulare al vehiculului prin puterea cerută, iar aceasta de caracteristica izoconsumurilor prin perechea Tm , n m . În cazul motorului electric, echivalenţa în consum de combustibil se face luând în considerare randamentele de transformare energetice necesare
29
producerii de energie electrică din energie mecanică (mod generator) şi invers (mod motor) şi plecând de la aceeaşi putere cerută la roţi. În consecinţă consumul echivalent este dat de relaţia: ~c ⋅ P i mi c ME = () η g ⋅ ηibat ⋅ η dbat ⋅ η e ~c fiind consumul echivalent MAI pentru antrenarea ME/G în regim de i generator. El este independent de condiţiile de rulare, nu se măsoară ci se estimează tot din diagramele de izoconsum pe baza regimului stabil ~ ~ Tm , ω m definit anterior, a puterii necesare la roţi Pr şi evident a stării bateriei SOC .
(
Fig.
)
Cartogramele de control a MAI, respectiv ME/G
Formula precedentă arată cât din puterea cosumată de la MAI pentru antrenarea generatorului se va regăsi în propulsie cu ajutorul motorului electric ţinând cont de pierderile conversiilor de transformare a energiei electrice în ambele sensuri. Surplusul de cuplu al MAI faţă de cel cerut, echivalent cuplului de antrenare al generatorului este figurat în Fig. prezentată anterior, prin aria trapezoidală cuprinsă între cele două curbe, de putere constantă, respectiv de putere necesară la rulare. Astfel, estimarea ~ci necesită pe lângă mărimile amintite mai sus şi valorile medii ci , ηg , ηibat ~ ~ şi P , ele fiind determinate în regimuri anterioare definite prin T , ω
(m
m
)
r
stocate pentru aceasta în memoria unităţii electronice de comandă. Randamentul generatorului, ηg rezultă din cartograma de eficienţă a n dacă maşinii electrice reversibile din Fig. , în funcţie de turaţia MAI, ~ m
cuplarea este rigidă sau luând în consideraţie randamentele de cuplare dacă
30
cele două motoare sunt pe arbori diferiţi. Randamentele de încărcare ηibat şi descărcare ηdbat a bateriei pot fi deasemenea disponibile sub formă de cartogramă, în funcţie de SOC şi cantitatea de energie electrică înmagazinată, respectiv consumată de către maşina electrică. Trebuie făcută observaţia că randamentele referitoare la încărcarea/descărcarea bateriei depind foarte mult de temperatură, aceasta trebuind luată în considerare la evaluarea formulei (). Spre exemplu, o baterie cu hidruri metalice capabilă să susţină o putere electrică de 21 kW în domeniul optim al temperaturilor de lucru (20° ÷ 40°C) nu va putea asigura decât 5 kW atunci când temperature sa de lucru este de 0°C . Tot din cartograma de randament a maşinii electrice se determină şi randamentul propulsiei electrice, η m (SOC, Pr ) , definit printr-o pereche (Te , n e ) . Dacă c MAI > c ME atunci este selectat modul de propulsie electric, iar dacă c MAI ≤ c ME atunci este preferat modul mecanic. În această ultimă variantă se decide în funcţie de valorile puterii necesare la roţi şi cea de funcţionare optimală a MAI dacă este posibilă şi generarea de energie electrică sau dacă, dimpotrivă este necesară o susţinere din partea motorului electric. Este foarte important ca în strategia de distribuire a cuplurilor pe cele trei componente, motor cu ardere internă, motor electric, generator să se ţină seama în permanenţă de starea de încărcare a bateriei. În acest sens, puterea de ieşire a sursei de propulsie trebuie corelată cu SOC altfel se poate ca sarcina bateriei să se epuizeze la un moment dat pe parcursul deplasării autovehiculului hibrid.
O dată stabilite modul de funcţionare şi puterile specifice fiecărei surse de propulsie, unitatea electronică de control va aborda strategiile necesare controlului fiecărui motor în parte. În controlul motorului cu ardere internă, pe lângă criteriul de consum minim pot fi considerate şi strategii bazate pe reducerea la minim a nivelului emisiilor poluante. Aşa cum se poate desprinde din cele prezentate anterior, polii optimi de economicitate şi emisii diferă, astfel încât strategiile de control a lanţului propulsor hibrid trebuiesc bazate pe unul din cele două obiective.
31
Fig.
Cartogramele randamentului şi emisiilor poluante (Nox)
Este preferată optimizarea consumului deoarece MAI funcţionează la randament maxim, iar nivelul emisiilor (funcţionarea cu consum minim presupune amestec sărac astfel încât nivelul emisiilor de CO şi HC este oricum redus) poate fi redus suficient de mult prin tratarea în sisteme catalitice. Funcţionarea în regimuri de optimizare a emisiilor poluante este aplicatî în special la motoarele diesel ce echipează lanţurile de propulsie hibride. Strategia utilizată pentru schimbarea treptelor având ca obiectiv primarreducerea nivelului emisiilor poluante este prezentată în Fig. . Pentru simplificarea figurii a fost inclusă doar o zonă din cartograma de emisii şi suprapusă peste caracteristica dinamică a celor două trepte de viteză considerate şi în exemplul anterior. Punctul C reprezentând regimul curent de funcţionare al MAI cerut de conducătorul auto ( T1 = Tcerut ) se află poziţionat într-o zonă de poluare mai accentuată. Urmând strategia anterioară, trecerea pe treapta Tr j (punctul C” de consum optim) ar înrăutăţi şi mai mult nivelul de poluare. În cazul lanţului propulsor hibrid punctul de funcţionare este ales caracteristica inferioară (punctul C’), diferenţa de cuplu fiind asigurată motorul electric. Au fost descrise două strategii de control a MAI, una bazată menţinerea acestuia în regimuri de economicitate maximă, cealaltă susţinerea funcţionării în regimurile de emisii poluante minime.
32
pe de pe pe
Fig. Strategia de control a schimbării treptelor de viteză într-un lanţ propulsor hibrid cu optimizarea emisiilor MAI După cum se va putea constata într-un capitol următor aceste regimuri nu sunt suficiente pentru a garanta funcţionarea optimizată a MAI la orice variaţie de sarcină, nici în configuraţie paralelă, nici în cea serie. Este necesar a se avea în vedere şi modul de variaţie a caracteristicilor de izoconsum şi emisii poluante în funcţie de modul de dozare a raportului aer/combustibil pentru a putea corela corespunzător caracteristicile respective cu sarcina motorului.
1.4. Vehicule electrice hibride în configurare mixtă (dual mode) Cea de-a treia configuraţie constructivă a autovehiculelor hibride constă într-o combinaţie a celor două moduri descrise anterior şi se poate clasifica la rândul ei în alte subtipuri în funcţie de modalităţile specifice de combinare a celor două variante de bază. Astfel, prin selectarea manuală sau automată a modului de lucru se poate trece de la configuraţia paralelă la cea serie prin modificarea conexiunii mecanice între componentele lanţului propulsor. În principiu, varianta hibridă mixtă cu comutare configuraţiei de funcţionare poate fi obţinută prin modificarea variantei serie din Fig. şi constă în asigurarea unei posibilităţi de conectare a axului generatorului G la cel al motorului electric ME . Astfel cea mai simplă conexiune mixtă (vezi Fig. ) rezultă prin montarea generatorului pe arborele de ieşire al MAI , acesta cuplându-se cu arborele motorului electric aflat pe arborele secundar, prin intermediul unui ambreiaj A comandat de unitatea de control a vehiculului hibrid. Prin alimentarea generatorului de la baterie, acesta poate funcţiona deasemeni ca motor electric. Secvenţa de control este concepută astfel încât funcţionarea ambreiajului să poată fi comandată de unitatea electronică de control UEC în conformitate cu modul selectat prin comanda MOD. De exemplu, când se dă comanda modului de configurare paralel, unitatea electronică de control
33
UEC comandă activarea ambreiajului ceea ce conduce la o funcţionare asemănătoare vehiculului electric hibrid de tip paralel deoarece ambele maşini electrice sunt reversibile putând funcţiona ca motor sau ca generator. Când comanda MOD specifică o configuraţie serie, unitatea electronică de control UEC comandă decuplarea ambreiajului deconectând astfel generatorul de la axul motorului electric şi regăsindu-se astfel configuraţia serie din Fig.1.2.
Fig.1. Lanţ propulsor hibrid în configuraţie mixtă cu schimbare prin comutaţie a modului de funcţionare (serie, paralel) Acest tip de vehicul hibrid are o flexibilitate mai mare deoarece funcţionarea sa poate fi comandată atât în modul paralel cât şi în cel serie, fie manual, printr-un simplu buton de la bord în funcţie de dorinţa conducătorului vehiculului, fie automat în funcţie de regimul optim de funcţionare. De exemplu, în circuitul urban unde scăderea nivelului de poluare primează, se selectează modul de funcţionare serie, date fiind regimurile de sarcină şi turaţie mai reduse specifice acestui tip de trafic. Pentru deplasări cu viteze mari unde configuraţia serie nu mai poate satisface creşterile de sarcină ce impun puteri crescute, se va selecta configuraţia paralel prin activarea ambreiajului. Comutarea directă, prin ambreiaj, prezintă dezavantajul unei încărcări bruşte a MAI atunci când se comută din configuraţia serie (ambreiajul decuplat) în cea paralel (ambreiajul cuplat) şi aceasta mai ales în regimuri de putere redusă, sau de mers în gol când motorul poate cala. MAI va trece de la o sarcină redusă (rotorul generatorului) la una relativ importantă, reprezentată de generator, motor electric, diferenţial, punte motoare şi rezistenţa de rulare prin intermediul roţilor. Ar fi de dorit ca cele două configuraţii să poată fi active în acelaşi timp, partajând acelaşi MAI , astfel încât cuplul acestuia să poată fi distribuit şi la generator şi la arborele secundar în acelaşi timp, iar modul de funcţionare serie sau paralel să poată fi stabilit nu prin întreruperea directă a unei legături mecanice ci prin
34
adaptarea regimului celor două maşini electrice reversibile. Acest lucru este posibil dacă conectarea celor trei surse de propulsie se realizează prin intermediul unui dispozitiv de distribuţie continuă a cuplului, spre exemplu un angrenaj diferenţial sau unul planetar, ca în Fig. a , respectiv b . Aparent, în prezenţa distribuitorului de cuplu şi a posibilităţii de control a maşinilor electrice, prezenţei ambreiajului pare inutilă. Dacă însă cuplul MAI se transmite permanent la puntea motoare, atunci când vehiculul este oprit, bateria nu va putea fi încărcată. Pentru a nu transmite cuplul la roţi, MAI trebuie să funcţioneze la relanti (poziţia ”neutră” N de pe maneta selecţiei treptei de viteză), iar generatorul G să fie oprit. Pentru a rezolva acest neajuns, în configuraţia prezentată în Fig. este incus după dispozitivul de partajare a cuplului 4 şi înainta motorului electric un ambreiaj 2 care, atunci când este cuplat determină o structură identică cu cea de distribuire continuă a cuplului prezentată în figura anterioară. Când vehiculul este oprit şi se doreşte încărcarea bateriei se comandă decuplarea ambreiajului, astfel încât generatorul şi MAI sunt deconectate de la roţi rezultând o configuraţie de tip serie.
Fig.1. Sisteme de distribuire continuă a cuplului în configuraţia hibridă mixtă În momentul deconectării, arborele de ieşire al distribuitorului de cuplu se roteşte în gol (vezi Fig. ), fiind necesară oprirea sa cu un sistem de frânare 3, fie prin fricţiune, fie de tip electric. Deconectarea de puntea motoare permite generatorului să fie utilizat ca motor de pornire al MAI cu un randament superior starterului convenţional. Procedeul de pornire al lanţului hibrid debutează cu pornirea MAI de către un starter sau de către generatorul G în regimul neutru N. Deoarece
35
arborele de ieşire al DC este blocat, iar legătura cu ME întreruptă de ambreiaj, singura sarcină a MAI este generatorul electric. Sistemul rămâne în această configuraţie serie până ce SOC a bateriei este la valoarea prestabilită (baterie încărcată) moment în care generatorul este deconectat electric. Arborele de ieşire al DC este ulterior deblocat, însă cuplarea ambreiajului se va realiza abia după sincronizarea turaţiei acestui arbore (prin comanda generatorului ca regulator de turaţie similar CVT) cu cea a motorului electric, pentru a reduce gradul de patinare al ambreierii şi a mări astfel durata de funcţionare a dispozitivului.
Fig.1. Vehicul electric hibrid în configuraţie serie-paralel cu partajare continuă a cuplului şi schimbare prin comutare a modului de funcţionare De regulă, schimbarea vitezelor se face în acelaşi mod cu cel al unei cutii de viteze automate sau cu raport de transmisie continuu variabil, CVT . Scimbătorul de viteză poate de tip ”by wire”, fără legătură directă cu mecanismul de comutare al cutiei de viteză, caz în care se poate integra în panoul de control, sub formă de joystick, cât mai aproape de mâna conducătorului auto. O astfel de concepţie este utilizată, spre exemplu la autovehiculul Toyota Prius (vezi Fig. ), pentru manevrarea treptelor fiind suficientă folosirea unui singur deget, fără a lua mâna de pe volan. De fapt în sistemele hibride mixte, fără transmisie distinctă este oarecum improprie denumirea de schimbare de viteze sau de trepte de viteză, mai corect ar fi
36
utilizarea conceptului de schimbare a regimurilor de funcţionare a vehiculului hibrid. Treptele folosite sunt cea neutră ( N ), deplasare ( D ), mers înapoi ( R ) şi frânare cu regenerare de energie electrică ( B ). Pentru parcare, similar poziţiei P de la cutiile automate convenţionale se prevede fie o poziţie distinctă pe levierul schimbător de regim, fie un buton distinct ca în figura precedentă marcat cu P. În afara lor, la bord mai pot fi disponobile comutatoarele configuraţiei hibride, MOD (serial, paralel), respectiv a selecţiei modului de funcţionare pur electric (ZEV ) notat de obicei EV .
Fig.1. Levierul de tip ”shift by wire” al selectorului de regimuri operaţionale; Toyota Prius THS II În poziţia D a selectorului de regimuri, unitatea de control centrală monitorizează şi starea pedalei de acceleraţie. Dacă aceasta nu este apăsată, generatorul este comandat să genereze un curent redus, cât să producă o încărcare care să simuleze convertizorul de cuplu dintr-o transmisie automată determinând astfel senzaţii identice ale conducătorului auto. La unghiuri medii şi mari de apăsare a pedalei de acceleraţie se determină cuplul necesar cerut de conducătorul auto, respectiv necesarul de energie electrică ce trebuie produsă de generator. În funcţie de acestea rezultă turaţiile necesare pentru generator şi motor, diferenţa dintre ele fiind absorbită de variaţiile de turaţie ale MAI comandat corespunzător pentru acoperirea cererilor de putere ale conducătorului auto prin pedala de acceleraţie. Dacă MAI nu le poate acoperi (în cazul unghiurilor mari sau maxime ale pedalei) decât prin alunecarea de pe zonele de economicitate şi emisii optime, diferenţa necesară este preluată de către motorul electric comandat corespunzător. Dacă starea bateriei se degradează, unitatea de control comută sistemul în configuraţia serie. Pentru aceasta se trece mai întâi generatorul din modul de generare în modul de control a turaţie pentru egalizarea vitezei de rotaţie a celor doi arbori cuplaţi de fiecare parte a ambreiajului. Abia după aceea se
37
decuplează ambreiajul şi se comută generatorul din modul de control a turaţiei în cel de generare curent. Procedând astfel sunt reduse sau eliminare patinajul şi uzura dispozitivului de cuplare/decuplare. Singurul neajuns notabil al configuraţiei mixte provine din creşterea complexităţii mecanice şi a controlului liniei propulsoare împreună cu sporirea greutăţii vehiculului datorată componentelor suplimentare. Comanda electronică a vehiculelor de acest tip este mai dificil de proiectat comparativ cu cea a configuraţiilor de bază, serie, respectiv paralel. Întregul sistem trebuie să fie capabil să funcţioneze mai întâi ca un vehicul electric hibrid serie sau paralel, iar apoi să determine care dintre cele două moduri este cel optim pentru momentul respectiv şi să comute între cele două moduri de funcţionare fără ca această schimbare să fie percepută într-un mod brutal sau supărător pentru ocupanţii vehiculului. Trebuie amintită tot ca un dezavantaj şi limitarea autonomiei de funcţionare în configuraţie serie deoarece capacitatea, respectiv dimensiunile bateriei sunt mult mai reduse decât în cazul unui vehicul electric hibrid serie. 2. LANŢ PROPULSOR HIBRID CU UN SINGUR MOTOR ELECTRIC REVERSIBIL ŞI SISTEM DE TRANSMISIE DISTINCT
Configuraţia în care motorul electric se află plasat între MAI şi transmisia automată este utilizată cel mai des în practică. Cuplul motorului electric suplimentează pe cel propulsor generat de MAI la pornire sau în accelerări (regimuri tranzitorii). În plus, maşina electrică funcţionează în regim de generator deasemenea pentru a suplimenta, dar în sens invers, efectul frânei de motor atunci când vehiculul coboară o pantă sau este luat piciorul de pe pedala de acceleraţie. Frânarea regenerativă cu transformarea energiei de frânare rezultată la apăsarea pedalei de frână în energie electrică îmbunătăţeşte considerabil consumul de combustibil şi nivelul emisiilor poluante. În Fig. este prezentat un lanţ propulsor hibrid în configuraţia b conceput de firma Honda şi utilizat pe modelul Insight şi Civic Hybrid. Există două posibilitaţi de cuplare a ME/G de MAI , fie direct la arborele cotit, fie prin intermediun unui ambreiaj A sau a unui amortizor de cuplu. Configuraţia cu un singur ax este dificil de pus în practică datorită vibraţiilor generate de MAI la arborele de ieşire produse ca urmare a exploziilor de ardere din interiorul cilindrilor. Aceste vibraţii conduc la rotaţii excentrice ale arborelui cotit îngreunând considerabil centrarea motorului electric şi a convertizorului hidraulic de cuplu. Dificultatea de centrare este accentuată de faptul că inerfierul dintre rotorul şi statorul maşinii electrice trebuie să fie cât mai reduse pentru a micşora pierderile de flux şi a mări astfel randamentul de funcţionare. Erorile de descentrare se
38
măresc pe măsura măririi lungimii rotorului şi statorului, mai precis a suprafeţelor longitudinale de polarităţi magnetice diferite care se resping generând astfel cuplul motor. Altfel spus, dacă rotorul motorului electric se cuplează direct cu arborele cotit al MAI (ca de exemplu în cazul Starterului Alternator Integrat) descentrările provocate de exploziile în cilindrii obligă la utilizarea unui întrefier mărit, proporţional cu gradul descentrării, ceea ce reduce din puterea de ieşire. Pentru a o readuce la valoarea dorită este necesară mărirea lungimii motorului electric sau a diametrului rotorului/statorului.
Fig. Lanţ propulsor paralel semihibrid cu ax unic conceput de firma Honda (modelul Civic Hybrid) în structura: MAI a ME \ G a A(Sistem Ambreiaje) a CVT (TransmisieContinua ) Dacă rotorul este susţinut de un element fix al ansamblului propulsor, de exemplu carcasa, aceasta va trebui să aibă o formă extinsă pentru a ajunge în apropierea arborelui rotor (vezi figura anterioară). În acest caz, dimensiunea axială a ansamblului propulsor se măreşte. Poziţionarea directă a rotorului pe arborele cotit va produce o încărcare evidentă a acestuia (lagărul sau cuzinetul de sprijin al arborelui cotit şi centrul de greutate al rotorului sunt decalate axial), orice mic dezechilibru fiind amplificat de inerţia masei rotorului aflat în mişcare de rotaţie, de aceea rotorul trebuie conceput cu o inerţie redusă.
39
O soluţie de reducere a acestor neajunsuri constă în plasarea unui amortizor de cuplu intermediar, între motor şi transmisie, sau între MAI şi motorul electric precum şi utilizarea unui motor electric cu dimensiunile mărite pe direcţie radială şi reduse pe cea axială. Se poate deasemenea separa printr-un ambreiaj motorul electric de MAI , eventual intercalând imediat după acesta din urmă şi un hidroconvertizor, iar soluţia radicală constă în plasarea ME după transmisie, direct la puntea motoare printr-un ambreiaj. În acest caz, rotorul motorului electric va prelua însă şocurile transmise prin diferenţial de la roţi. Plasarea ME în imediata vecinătate a MAI ridică şi problema încălzirii excesive a primului motor de la căldura trasmisă de cel de-al doilea. Pentru a reduce masa lanţului propulsor hibrid, carcasa unică (motor, transmisie) se realizează de cele mai multe ori din aluminiu, spre deosebire de statorul ME fabricat din tole de oţel cu siliciu, lăcuite, presate şi asamblate într-un bloc distinct. Metoda montării statorului prin presare forţată la cald în carcasa de aluminiu nu mai se poate utiliza în acest caz datorită încălzirii de la MAI a carcasei şi statorului în egală măsură, dar a dilatării diferite a celor două materiale. Pentru aceasta se utilizează un manşon inelar în care se introduce forţat blocul stator. La rândul său manşonul, care susţine în interior statorul se fixează prin şuruburi de carcasă fiind prevăzut în acest scop cu un guler şi urechi de prindere. Manşonul şi statorul se realizează din acelaşi material, având coeficienţi de dilatare identici astfel încât să nu se slăbească strângerea dintre cele două subansamble datorită încălzirii de la MAI . Un ultim aspect legat de arhitectura lanţului propulsor hibrid are în vedere modificarea propietăţilor elementelor metalice situate în apropierea câmpului electromagnetig generat de ME . Astfel, inducerea unor curenţi reziduali de scurgere în arborele cotit poate produce încâlzirea sau modificarea turaţiei sale. În plus, orice pulberi metalice rezultate în urma frecărilor din ambreiaje uscate plasate în vecinătatea ME pot fi atrase de acesta şi afecta negativ funcţionarea sa prin pătrunderea în lagăre, pe conectorii electrici sau în alte locaţii interne. Mai ales particulele metalice conţinute în pulberea abrazivă din ambreiaje atrase şi depuse pe zonele polare ale rotorului şi statorului pot să producă modificări perturbative ale liniilor de câmp magnetic, afectând negativ forţa de propulsie electromotoare generată. Plasarea motorului electric în imediata vecinătate a MAI , cu rotorul chiar pe extensia arborelui cotit în locul volantei aduce pe lângă aspectele complexe ale montării mecanice şi unele avantaje certe. Astfel localizarea respectivă este cea mai indicată pentru obţinerea unei eficienţe maxime în stabilizarea şi uniformizarea turaţiei MAI , dar şi pentru transmiterea forţei suplimentare de propulsie. Rotorul, care este relativ greu va afecta rotaţia MAI în sens perturbativ, cu atât mai mult cu cât este plasat la distanţă mai mare pe extensia arborelui cotit. În fine, ansamblul celor două surse
40
propulsoare acţionând pe un arbore unic este cu atât mai robust şi rigid cu cât cele două motoare sunt mai aproape unul de celălalt. Schema bloc de principiu a unui lanţ hibrid în care ME se fixează de arborele cotit în imediata apropriere a MAI este prezentată în Fig. . Ambreiajul care cuplează ansamblul motor MAI , ME la arborele transmisiei prin distribuitorul de cuplu poate fi multidisc sau cu plăci ferodou presate prin intermediul unei plăci de presiune acţionată de un piston hidraulic. Cuplarea dintre rotor şi intrarea ambreiajului se face de regulă prin intermediul unei volante, care are rolul de reducere şi absorbire a şocurilor existente la arborele motorului cu ardere internă. Deoarece rotorul motorului electric având o masă relativ importantă se fixează chiar pe arborele cotit, transmiterea cuplului spre transmisie se face continuu, fără fluctuaţii şi şocuri. Se observă că dacă ambele motoare funcţionează simultan, cuplul se însumează automat, fără a fi necesar un dispozitiv de distribuţie sau partajare a cuplului de tip planetar sau diferenţial. Montajul DC planetar cu cele două ambreiaje A b şi A f (cuplaj unisens) are doar scopul de a transmite cuplul propulsor transmisiei CVT într-un sens direct sau invers faţă de cel al MAI .
41
Fig. Schema bloc cinematică a lanţului propulsor hibrid paralel cu MAI şi ME pe acelaşi arbore [Honda] Astfel, dacă ambreiajul A b este decuplat, cuplajul unisens se blochează automat şi cuplează portplanetara cu pinionul solar, fapt ce permite transmiterea cuplului MAI nemodificat, la arborele de atac al CVT, aceasta corespunzând regimului D sau L de pe selectorul de viteze. Dacă A b este cuplat, blocând astfel portplanetara, intrarea făcându-se pe pinionul solar şi ieşirea spre CVT pe coroana planetară, raportul de transmisie devine z i = − s unde z s este numărul de dinţi ai pinionului solar, iar z r cel al zr coroanei planetare. Raportul este subunitar şi negativ ceea ce determină o amplificare a cuplului şi o schimbare a sensului de rotaţie. Acest mod de funcţionare corespunde poziţiei R de pe selectorul de viteze (mai corect de
42
regimuri de rulare). Când ambele ambreiaje sunt decuplate, transmisia nu este antrenată, MAI funcţionează în gol corespunzător regimului ”neutru”, N de pe selectorul de regimuri. Pentru a împiedica transmiterea fluxului magnetic de la bobinele statorului în blocul cilindrilor MAI se poate plasa între aceste două componente un disc de ecranare prin care să se închidă liniile de câmp magnetic. La proiectarea unui lanţ hibrid trebuie avut în vedere că atunci când vehiculul se opreşte cu MAI la mers în gol (de exemplu la stop) şi starea de încărcare a bateriei este corespunzătoare, oprirea motorului cu ardere internă aduce avantaje privind consumul şi randamentul global. Oprirea vehiculului presupune decuplarea roţilor de sursa de propulsie, care să se poată roti în continuare dacă, spre exemplu, starea bateriei este sub o anumită limită de descărcare impunându-se astfel încărcarea de la generator. Oprind motorul cu ardere internă, se întrerupe însă funcţionarea pompei hidraulice care alimentează circuitele de comandă ale ambreiajelor şi transmisiei automate sau CVT , astfel ne mai fiind posibilă pregătirea repornirii MAI . O soluţie ar fi ca imediat ce se opreşte MAI , ambreiajul (ambreiajele) să fie plasate automat în poziţia cuplat, iar cutia de viteze în trapta cu raport maxim de amplificare a cuplului (similar pornirii în treapta a I ). Dacă acest lucru se întâmplă în timp ce vehiculul încă se mai află în mişcare, forţele de la roţi se transmit prin cutia de viteze şi eventual convertorul de cuplu, generând un moment de autoîntreţinere a rotaţiei ceea ce implică un cuplu suplimentar de la ME şi o reducere a eficienţei funcţionării. Există şi cazul în care vehiculul hibrid rulează cu viteze scăzute, la sarcini reduse, oprind astfel MAI şi folosind propusia pur electrică. În această situaţie pompa hidraulică este decuplată, astfel încât pregătirea pentru o nouă repornire a MAI presupune cuplarea ambreiajelor şi comanda CVT pentru fixarea pe o treaptă maximă de transmisie a cuplului, cât încă mai există presiune în circuitele hidraulice. Dacă motorul electric mai funcţionează, autovehiculul nefiind încă oprit, turaţia ME va trebui să fie mărită nejustificat de mult. Plasarea motorului electric pe acelaşi arbore cu cel al motorului cu ardere internă permite o antrenare suplimentară a pompei hidraulice după oprirea MAI , menţinându-se astfel presiunea în circuite până la poziţionarea ambreiajelor şi cutiei de viteză continue pe poziţiile specifice pornirii. Mai mult, se poate amâna această pregătire a transmisiei pentru momentul pornirii, considerând că MAI va fi antrenat de ME până la obţinerea presiunii hidraulice necesare şi apoi până la pornirea sa. În ambele cazuri, solicitarea bateriei este importantă, astfel încât se poate lua în considerare şi soluţia introducerii unei pompe hidraulice secundare antrenate de un alt
43
motor electric, ambele de dimensiuni şi puteri mai reduse comparativ cu cele ale corespondentelor primare. Pompa auxiliară este recomandată atunci când separarea acţiunii MAI şi ME nu este posibilă, acestea fiind cuplate pe un arbore comun. În structura prezentată mai sus, oprirea MAI nu implică neapărat şi imposibilitatea utilizării forţei de propulsie a ME , după cum rularea în frână de motor cu MAI oprit nu presupune şi dezactivarea procesului de recuperare şi regenerare a energiei cu ajutorul generatorului. Cuplarea rigidă între cele două motoare încarcă însă motorul electric sau generatorul cu o sarcină suplimentară (inerţia MAI şi a accesoriilor antrenate de acesta) ceea ce determină un consum suplimentar, respectiv o încărcare mai redusă de la/a bateriei. De aceea, când autovehiculul este staţionar, sau rulează la viteze mari cu sarcini medii sau reduse, pentru a îmbunătăţi consumul de combustibil şi reduce nivelul emisiilor este utilă oprirea MAI şi utilizarea pentru propulsie a unui motor generator auxiliar, ME / G aux care să realizeze antrenarea pur electrică a vehiculului atunci când cuplul necesar, cerut de conducătorul auto, Tcerut este sub valoarea maximă a sa, Te _ aux . În această situaţie, oricând posibilă în timpul rulării, trebuie luată decizia dacă MAI poate fi oprit sau nu, fără ca şoferul să conştientizeze acest lucru sau să-şi restricţioneze manevrele asupra pedalelor sau schimbătorului de regimuri. Pentru aceasta, în primul rând se va lua în consideraţie starea bateriei, SOC , deoarece o valoare de încărcare minimă a acesteia este necesară pentru repornirea MAI , cât şi pentru antrenarea diverselor elemente accesorii (de exemplu motoarele pompelor hidraulice). Valoarea respectivă depinde şi de alţi parametri precum timpul cât MAI este oprit, de temperatura sa (dacă a mai fost pornit şi este ”cald”), sau de presiunea uleiului în rezervorul instalaţiei de control hidraulice. Înainte de a opri MAI este deci necesară analiza deciziei de oprire a sa de către unitatea centrală de comandă care prelucrează toate condiţiile amintite mai sus. Dacă s-a constatat îndeplinirea condiţiilor anterioare şi se dă permisia opririi MAI, înainte de oprirea acestuia sunt necesare o serie de determinări legate de dinamica şi bilanţul forţelor de propulsie care ar putea invalida această decizie. De exemplu, dacă vehiculul are o acceleraţie pozitivă sau rulează cu viteză constantă, oprirea motorului cu ardere internă şi continuarea rulării pe baza propulsiei electrice de la motorul auxiliar este posibilă, fără a necesita schimbări abrute a raportului de transmisie, care să solicite ME / G aux peste limita sa maximă. Chiar dacă vehiculul se află întrun regim de decelerare, dar viteza sa este sub o anumită valoare de prag inferioară (de exemplu 5 km/h), din nou se poate opri MAI şi continua pe propulsie electrică, neexistând pericolul unei variaţii abrupte de schimbare a vitezei. Dacă însă este stabilită o decelerare de la o viteză care depăşeşte valoarea vitezei de prag minime, va trebui să se determine timpul necesar de
44
decelerare conform relaţiei: t dec =
V − Vprag a dec
=
V − Vprag dV
. Dacă acest timp
dt este sub cel necesar ca CVT sau TA să realizeze schimbarea din raportul de transmisie curent în cel estimat să poată asigura o forţă de tracţiune de cel puţin 90% din cea disponibilă în treapta minimă L (cea cu amplificare a maximă de cuplu similară cu treapta I ). Analizând figura anterioară, Fig. , ar părea la prima vedere că printr-o comandă de decuplarea ambreiajului A 3 şi continuarea propulsiei prin ME / G aux , n-ar mai fi necesară succesiunea anterioară de validări. Totuşi, chiar în cazul propulsiei electrice, conducătorul auto va folosi maneta schimbătorului de regimuri şi din această cauză, sistemul hidraulic de control al CVT sau TA va trebui să fie permanent funcţional, cu raportul de transmisie ajustat pe valoarea solicitată şi gata de a prelua cuplul MAI la repornirea acestuia. Pentru aceasta, ambreiajul A 3 este cuplat cu un anumit grad de alunecare astfel încât să transmită la CVT o sarcină minimă specifică regimului neutru N. Din cele prezentate anterior se poate sesiza dezavantajul cuplării directe a ME la arborele MAI datorită sarcinii pe care acesta din urmă o induce în cazul nefuncţionării sale. Există totuşi şi un aspect pozitiv adus de sarcina respectivă, anume atenuarea şocurilor resimţite la trecerea din regim pur electric în regim de propulsie mecanic în cazul separării prin ambreiaj a celor două motoare. S-a arătat anterior că o soluţie a reducerii şocurilor respective este posibilă prin sincronizarea turaţiilor la cei doi arbori ai ambreiajului, imediat înaintea realizării cuplării. O altă soluţie constă în utilizarea unui motor electric secundar utilizat pentru pornirea MAI şi a absorbirii variaţiilor de cuplu de la ieşirea acestuia în procesul de sincronizare a turaţiei sale cu cea a motorului electric primar. Din cauza dificultăţilor şi gradului de precizie cu care poate fi determinat cuplul MAI, aceste metode control al răspunsului la variaţiile instantanee ale sarcinii la arbore nu sunt întotdeauna suficient de precise şi total eficace. Considerăm lanţul de propulsie hibrid prezentat în Fig. , în care legătura dintre MAI şi ME/G nu este rigidă ci se face sau se întrerupe prin intermediul unui ambreiajului A, iar cuplul de ieşire Td la arborele motor se realizează prin intermediuul unei transmisii, în cazul acesta o transmisie continuă, CVT . Folosind un model matematic simplu al lanţului propulsor se poate realiza mai sugestiv o comparaţie între varianta convenţională şi cea hibridă, reliefându-se dezavantajul celei dintâi şi modalitatea de a elimina acest dezavantaj folosind propulsia electrică. Ulterior se va explica
45
principalele dificultăţi ce apar la schimbarea treptelor (regimurilor) în lanţul hibrid respectiv precum şi modalităţi de control în vederea depăşirii lor.
Fig.
Lanţ hibrid cu separare prin ambreiaj a celor două surse propulsoare
Se consideră arborele de ieşire, reductorul, diferenţialul şi roţile reduse la un moment de inerţie unic, J d şi definit printr-o turaţie ωd , respectiv un moment rezistent Tp , toate ca mărimi echivalente văzute dinspre arborele secundar, de la ieşirea CVT. Deasemenea se poate considera etajul de ieşire (secundar) al CVT definit prin momentul de inerţie J s , turaţia ωs şi cuplul Ts , în timp ce pentru intrarea în CVT (primar), mărimile similare sunt notate cu ω p , respectiv Tp cu observaţia că în cazul lanţului propulsor hibrid, J p va include faţă de cel convenţional şi momentul inerţial al rotorului ME respectiv al etajului de ieşire al ambreiajului. Pentru o îmbunătăţire a acurateţii modelului pot fi consideraţi şi parametrii ce descriu efectul de torsiune al arborilor primar sau secundar şi anume coeficientul de rezistenţă la torsiune k , respectiv de amortizare c . Pentru a nu complica excesiv modelul matematic se poate considera numai arborele secundar supus torsiunii, iar arborele primar rigid. Ca măsură a torsiunii se poate alege diferenţa dintre un sector unghiular la roată, θ d şi acelaşi sector măsurat la ieşirea din CVT, notat θ s . Pentru a determina acceleraţia unghiulară la roată, ε d dispunem de relaţiile J ⋅ ε = •
∑T
scrise pentru:
arborele motor şi arborele primar al CVT, respectiv
46
Jp ⋅
dω p dω m = Jp ⋅ = Tm − Tp dt dt
()
considerându-se arborele rigid rezultă ω m = ω p ; • arborele secundar la ieşirea CVT: Js ⋅
dωs d(θ s − θ d ) = i ⋅ Tp − k ⋅ (θ s − θ d ) − c ⋅ dt dt
()
i fiind raportul de transmisie al CVT; • arborele secundar spre roată:
Jd ⋅
dω d d(θ s − θ d ) − Td = k ⋅ (θ s − θ d ) + c ⋅ dt dt
()
unde ω p = i(t ) ⋅ ωs , iar Ts = i(t ) ⋅ Tp . Termenii ce reflectă torsiunea arborelui secundar se pot exprima prin: Jd ⋅
dω d dω dω dω ⎞ ⎛ + Td = i ⋅ Tp − J s ⋅ s = i ⋅ ⎜ Tm − J p ⋅ m ⎟ − J s ⋅ s dt dt dt dt ⎝ ⎠
dω dω m dω p di = = i ⋅ s + ωs ⋅ dt dt dt dt ( θ d = θ s ), rezultă acceleraţia arborelui de ieşire:
Considerând
dω d = dt
di − Td − Tpierderi dt Jd + Js + i2 ⋅ Jp
i ⋅ Tm − J p ⋅ ω m ⋅
şi
ignorând
() torsiunea
()
În relaţia dată au fost luate în considerare şi pierderile de cuplu, spre exemplu în ambreiaj, hidroconvertizoare sau prin cureaua de transmisie a di CVT. Se observă că schimbarea spre trepte superioare de viteză, >0 dt determină o reducere a acceleraţiei vehiculului. Unul din principalele inconveniente în cazul schimbării treptelor în lanţul propulsor convenţional este determinat de dificultatea controlului siumultan a acceleraţiei a = optim(Tm , ω m , i ) , cuplului şi turaţiei autovehiculului, ultimile două mărimi acţionând în opoziţie aşa cum rezultă di din relaţia anterioară ( ), adică: + Tm − J p ⋅ ω m ⋅ . dt
47
Analizând caracteristica de izoconsum din Fig. se observă că, pentru o anumită putere cerută de unghiul pedalei de acceleraţie punctul curent de funcţionare nu se plasează pe caracteristica ideală de propulsie, respectiv în Q , ci pe o caracteristică reală de propulsie, într-un punct P mai puţin eficient din punct de vedere al consumului şi emisiilor, dar necesar susţinerii transmisiei datorită aspectului semnalat anterior. Trecerea pe caracteristica de eficienţă maximă se face prin susţinerea cuplului suplimentar de către motorul electric. Pentru aceasta, unitatea electronică de comandă determină în principal din valoarea unghiului pedalei de acceleraţie, cuplul necesar pentru MAI, Tm , cuplul suplimentar adus de ωp motorul electric, Te precum şi raportul de transmisie al CVT, i = , ωs comandând corespunzător modulul clapetei electronice (ETC), invertorul, respectiv instalaţia hidraulică de comandă a cutiei de viteze.
Fig. O serie de semnale de reacţie sunt necesare controlului buclelor de reglaj a celor trei dispozitive, cele mai importante fiind turaţiile arborelui motorului cu ardere internă, ω m , arborilor primar ω p şi secundar ωs ai CVT pe baza cărora se determină raportul de transmisie curent i , precum şi turaţia roţilor din care rezultă viteza autovehiculului. Principalul şoc resimţit la schimbarea treptelor se înregistrează ca urmare a trecerii bruşte de la cuplul redus al ME la cel superior al MAI atunci când se cuplează ambreiajul A. Iniţial ME este cel care asigură cuplul de propulsie la arborele secundar. În momentul schimbării regimului de rulare, puterea ME trebuie sporită dacă el ajută MAI să pornească, altfel
48
cuplul de ieşire va scădea. În momentul cuplării totale a ambreiajului, momentul la arborele de ieşire al transmisiei va înregistra un salt abrupt produs de cuplul de compensare al ME. În continuare este analizată o variantă de lanţ propulsor hibrid ce include un cuplaj (ambreiaj) unisens intermediar, între MAI şi ME/G pentru a limita transmiterea puterii de la motorul cu ardere internă la cel electric. Spre deosebire de configuraţia precedentă având cuplaj rigid între MAI şi ME/G , în care puterea sumată a ambelor motoare se regăsea integral la intrarea în transmisie, ambreiajul intermediar determină o reducere a acestei puteri. În plus, introducerea unui hidroconvertizor după cele două surse propulsoare (pentru îmbunătăţirea pornirii şi regimurilor de accelerare) va determina şi ea o pierdere de cuplu. Dacă autovehiculul ”suportă” relativ bine această pierdere atunci când propulsia este realizată de MAI, nu acelaşi lucru se poate afirma la propulsia pur electrică datorită capacităţii limitate a bateriei. Din acest punct de vedere, plasarea ME după transmisie, direct la puntea motoare este mai avantajoasă dar mai complicată . Greutatea constă în necesitatea conceperii unui bloc oarecum neconvenţional care să includă motorul electric între hidroconvertizor şi diferenţial. Acest lucru se dovedeşte foarte complexă deoarece motorul electric care nu mai beneficiază de amplificarea cuplului de către transmisie trebuie să aibă dimensiuni relativ importante pentru a asigura puterea necesară propulsiei pur electrice. Referitor la modul de control al MAI pot apărea unele dezavantaje atunci când acesta, având o sarcină importantă la arborele motor este menţinut în zona regimurilor de economicitate maximă. Motorul care are o capacitate mare de evacuare este eficient atunci când sarcina sa este importantă, în timp ce un MAI cu o capacitate mai mică de evacuare funcţionează eficient la sarcini mai reduse ale arborelui motor. Altfel spus, dacă autovehiculele ce dispun de motoare concepute pentru viteze şi sarcini crescte, cu funcţionare pe ramura pozitivă a caracteristicii de cuplu sunt conduse în aglomeraţii urbane, parametrii de eficienţă proiectaţi nu pot fi atinşi. Dacă din contră, dacă motorul este ales cu o capacitate de evacuare mai redusă, specific pentru deplasare urbană şi pentru sarcini mai reduse, utilizarea sa la încărcări importante şi în regimuri de viteză mare pe caracteristica pozitivă a cuplului conduc la scăderi ale randamentului. Deşi par a afecta doar configuaraţia hibridă paralelă, problemele variaţiei sarcinii afectează şi vehiculele hibride de tip serie. La acestea, când sarcina devine excesivă, consumul de energie al motorului electric depăşeşte posibilităţile de generare în regimuri de funcţionare ale MAI de
49
economicitate maximă, fiind necesară funcţionarea acestuia în regimuri de sarcină maximă. Strategia optimizată de control va trebui să modifice amestecul combustibil în raport cu sarcina motorului şi variaţia polului de economicitate în raport cu dozajul λ . Considerând caracteristicile de izoconsum pentru două raporturi aer/combustibil (stoichiometric şi sărăcit) prezentate în Fig. , funcţionarea motorului va trebui să se poziţioneze în zona I pentru sarcini mari, respectiv în zona II pentru încărcări mai reduse.
Fig. Diagramele de izoconsum în cazul unui amestec combustibil stoichiometric, respectiv a unuia sărăcit Trecerea de pe o diagramă pe alta se face prin comanda unităţii electronice de control a motorului asupra unghiului de deschidere a clapetei şi cantităţii de combustibil injectate în urma determinării culului de ieşire necesar. Pentru explicaţii se consideră lanţul propulsor hibrid descris mai jos şi prezentat în Fig. .
50
Fig. Lanţ propulsor hibrid cu o singură maşină electrică reversibilă şi decuplare prin ambreiaj a MAI Pe arborele cotit 1 al MAI este amplasat un convertizor de cuplu hidraulic (hidroconvertizor), CC urmat eventual de un ambreiaj polidisc AC (ambreiaj de cuplare) comandat electric prin intermediul unui solenoid. Convertizorul de cuplu este constituit în configuraţie uzuală, dintr-o pompă cu palete a cărei carcasă se cuplează şi se roteşte concurent cu arborele cotit al MAI , o turbină cuplată la arborele de ieşire 2, un reactor plasat între pompă şi turbină pe un arbore fix printr-un cuplaj unisens şi un ambreiaj de blocare (frânare), AB. Atunci când ambreiajul AB este cuplat (arborele de ieşire fixat la carcasa hidroconvertizorului), cuplul de la arborele MAI este transmis integral la intrarea în ambreiajul de cuplare AC. Dacă ambreiajul de blocare este decuplat, CC funcţionează ca un hidroconvertizor uzual ce transmite cuplul în funcţie de rotaţia relativă (alunecarea) dintre rotorul pompei şi cel al turbinei. Starea normală a ambreiajului AB este ”cuplat”,
51
decuplarea realizându-se doar la pornire, activând ambreiajului AC care realizează transmiterea puterii la arborele transmisiei, 3 prin intermediul reductorului planetar de distribuire a cuplului (DC). Prin intermediul acestuia, cuplul MAI şi cel al ME/G se transmit arborelui secundar 4, iar de la acesta, printr-un reductor (amplificator de cuplu) la arborele 5 de atac al diferenţialului D f . O amplificare a cuplului (reducere a turaţiei) se realizează de la arborele 5 la puntea motoare 6 cu ajutorul reductorului diferenţial. Prin comanda corespunzătoare a ambreiajelor AC, A f şi A b se pot comanda cele trei moduri specifice de propulsie ale unui vehicul hibrid (pur mecanic, pur electric, mixt cu distribuire a cuplului). Sinteza regimurilor de funcţionare în raport cu starea ambreiajelor este dată în Tabelul 2. Tabel 2 Comanda regimurilor de funcţionare Nr.
AC
Af
Ab
1
Cuplat
Cuplat
Decupl.
Pur mecanic, cuplul MAI transmis integral la arborele secundar 4 Pur mecanic, cuplul MAI transmis la arborele secundar 4 cu raport de Z transmisie i = 1 + S ZR
Regim Funcţionare
2
Cuplat
Cuplat
Cuplat (pinion solar blocat)
3
Decupl.
x
x
Pur electric
4
Cuplat
Cuplat
x
Mixt, mecanic/electric
ZS - nr. dinţi pinion solar; Z R nr. dinţi inel planetar; x – nu influenţează În distribuitorul de cuplu planetar, eliberarea frânei A b face ca dispozitivul de cuplare unisens A f (la fel de bine se poate utiliza un ambreiaj multidisc hidraulic) să fie blocat de rotaţia portsatelitului P permiţându-se astfel transmiterea integrală a cuplului de la arborele 3 la arborele secundar 4. Dacă ambreiajul de frânare A b este cuplat, pinionul solar va fi blocat rezultând o accelerare a arborelui secundar datorită unui raport de transmisie supraunitar. Diferenţa dintre regimurile 1,(2) şi 4 este dată de modul de comandă al maşinii electrice. Astfel în modurile 1, 2 maşina electrică poate funcţiona ca generator de energie electrică pentru baterie, în timp ce în modul 4, prin alimentare de la baterie, maşina electică produce cuplu funcţionând ca motor. În principiu, modul de funcţionare pur mecanic se utilizează în regimurile parţiale sau de sarcină mare şi când vehiculul trebuie să ruleze la
52
viteze ridicate. Pentru viteze reduse şi sarcini mici (regimuri de deplasare în aglomeraţii urbane) este indicat modul pur electric. Modul mixt este comandat la detectarea unor viteze mai reduse şi sarcini mari la arborele MAI . În funcţie de starea bateriei, SOC , în modul pur mecanic se poate distribui o parte din cuplul disponibil la arborele secundar pentru antrenarea maşinii electrice în regim de generator. O posibilă diagramă bidimensională de selecţie a modurilor de lucru este prezentată în Fig. .
Fig. Diagrama de selecţie a contribuţiei celor două surse propulsoare în funcţie de unghiul pedalei de acceleraţie (sarcina) şi viteza de deplasare a vehiculului Programul de control a lanţului propulsor hibrid, plecând de la valorile de putere şi viteză dorite de conducătorul auto şi comandate de acesta prin unghiul de apăsare al pedalei de acceleraţie, α , unghiul de apăsare al pedalei de frână, β şi regimul de rulare selectat prin maneta schimbătorului de viteze va alege modul de activare al celor două surse de propulsie, cuplurile generate de fiecare şi regimul de alimentare al MAI (stoichiometric sau sărăcit). În principal, UCE determină pe baza valorii unghiului α valoarea necesară a cuplului MAI, respectiv Tm , de regulă dintr-o cartogramă. Aşa cum se poate urmări pe organigrama din Fig. exemplificată pentru cazul transmisiei automate cu hidroconvertizor din figura anterioară , pe baza cuplului MAI şi a momentului său de inerţie plus rotorului cu palete al pompei hidroconvertizorului, J m + p se determină cuplul de ieşire al turbinei
Tt , respectiv al pompei Tp , acesta din urmă trebuind scăzut din cel al MAI .
53
Fig. Organigrama de determinare a cuplurilor surselor de propulsie din lanţul hibrid cu o singură maşină electrică şi transmisie automată Blocul de simulare al hidroconvertizorului nu este influenţat de caracteristica hibridă a lanţului propulsorşi din acest motiv nu va fi detaliat. Pentru cei care doresc o aprofundare a modelării hidroconvertizorului recomandăm referinţele [14], [15]. 3. CONFIGURAŢIA HIBRIDĂ PARALELĂ CU DOUĂ PUNŢI MOTOARE 4. LANŢUL PROPULSOR HIBRID PARALEL CU PARTAJAREA CUPLULUI (POWER SPLIT)
Configuraţia paralelă cu partajarea cuplului este prezintă un grad de hibridizare integral ce asigură funcţionarea autovehiculului în mod pur electric şi dispune de cel puţin două maşini electrice reversibile în cadrul lanţului propulsor. În arhitectura de tip paralel clasică, atunci când maşina electrică ME /G funcţionează ca motor pentru a asista MAI în regimurile cu randament redus de funcţionare, nu este posibilă regenerarea stării de încărcare a bateriei. În asemenea situaţii, dacă solicitarea este excesivă, bateria se poate descărca. Evitarea acestei situaţii se poate realiza doar prin introducerea suplimentară fie a unui generator cuplat în permanenţă cu motorul cu ardere internă MAI, fie a încă unei maşini electrice reversibile ME/G . Din punctul de vedere al modalităţilor de transmitere a cuplului, configuraţia hibridă de tip paralel cunoaşte două variante mai des utilizate,
54
componentele sale putând fi combinate într-un sistem hibrid cu comutaţie sau într-un sistem hibrid cu partajare a cuplului (power split). Sistemele din această ultimă categorie pot fi considerate în configuraţie mixtă, cu dispozitivul de distribuţie a cuplului de tip mecanism planetar şi cu funcţiile sistemului de transmisie, respectiv pornire preluate de una din maşinile electrice ale lanţului propulsor. Varianta cu comutaţie include motorul cu ardere internă, un generator, motorul electric şi un ambreiaj. De regulă, motorul este cuplat cu generatorul, iar acesta se conectează la arborele propulsor printr-un ambreiaj. Motorul electric este de asemenea cuplat la arborele secundar fiind poziţionat între acesta şi ambreiaj. Prin cuplarea sau decuplarea ambreiajului sistemul poate funcţiona atât în configuraţie tip serie cât şi în configuraţie tip paralel. Din acest motiv varianta cu comutaţie se mai numeşte configuraţie hibridă mixtă fiind prezentată mai în detaliu într-un capitol anterior. Tot un tip de configuraţie mixtă este şi varianta cu partajarea cuplului, PS (Power Split). Denumirea provine de la faptul că puterea sau cuplul motorului cu ardere internă MAI se distribuie printr-un angrenaj de tip planetar la generator sau direct la arborele de ieşire propulsor. Distribuţia cuplului prin mecanism planetar sau reductor diferenţial a fost prezentată deja la configuraţiile hibride cu un MAI şi un ME/G , în acest capitol fiind tratată configuraţia unui lanţ propulsor hibrid care include mai multe maşini electrice. Convenim să denumim partajare a cuplului modul în care cuplul motorului cu ardere internă interacţionează cu cel al maşinilor electrice în vederea obţinerii avantajelor propulsiei integral hibride. Utilizarea a cel puţin două maşini electrice faţă de una singură, ca în configuraţiile prezentate în Fig. (anterioară) permite două facilităţi importante, specifice modului integral hibrid: funcţionarea în regim de propulsie pur electric cu posibilitate de generare simultană de energie (de exemplu la coborârea unei pante, dacă starea bateriei este încărcată, MAI este oprit fiind antrenat forţat de ME , generatorul încărcând prin regenerare bateria care se descarcă prin alimentarea ME ), respectiv renunţarea la transmisie şi înlocuirea ei prin comanda specifică a generatorului. În condiţiile normale de funcţionare, MAI antrenează roţile motoare şi generatorul, acesta furnizând energie electrică fie direct la baterie, fie printr-un convertizor de putere (invertor) motorului electric. Motorul electric sporeşte puterea de ieşire a motorului cu ardere internă MAI ca în varianta pură tip paralel, oferind oportunitatea utilizării directe a energiei electrice prin configuraţia tip serie, reducând astfel pierderile asociate conversiilor reversibile electrochimice asociate bateriei. Forţa de propulsie a motorului cu ardere internă MAI este “partajată” de reductorul planetar la generator (configuraţia tip serie) şi la roţile motoare (configuraţia tip paralel). În acest fel, forţa de propulsie la roţi poate fi
55
controlată de motorul cu ardere internă MAI pe configuraţia tip paralel, în timp ce turaţia motorului cu ardere internă MAI poate fi menţinută de configuraţia tip serie, printr-un control adecvat al generatorului. Generatorul şi reductorul planetar preiau funcţiile şi simulează o transmisie continuu variabilă, CVT comandată electric şi nu hidraulic. O variantă a lanţului propulsor paralel cu funcţionare în mod PS ce conţine cele două maşini electrice şi dispozitivul de distribuţie a cuplului de tip planetar acţionând împreună cu un motor cu ardere internă MAI este prezentată în Fig. 1.3 . Prin controlul cuplării şi decuplării celor două ambreiaje acţionate hidraulic, linia propulsoare poate funcţiona în trei moduri diferite.
Fig.1.3 Sistem hibrid de tip paralel cu partajarea cuplului (power split) 1.-sateliţi; 2- port-satelit; 3-arbore de cuplare cu motorul cu ardere internă MAI; 4-coroana planetară; 5- arborele de ieşire cuplat cu coroana planetară şi rotorul motorului electric ME; 6- transmisie intermediară; 7-rotor generator G; 8înfăşurări statorice trifazate; 9- arbore de cuplare a motorului cu ardere internă MAI; 10- arbore solar de tip tubular; 11- ambreiaj-discuri fixe; 12-plăcile mobile ale ambreiajului
1. 2.
când cele două ambreiaje sunt cuplate, configuraţia este de tip pur paralel, tot cuplul de ieşire al motorului cu ardere internă MAI fiind direcţionat spre arborele de ieşire la roţi; când ambele ambreiaje sunt decuplate propulsia este asigurată de motorul electric, linia propulsoare hibridă funcţionând în configuraţie serie;
56
când numai ambreiajul A 2 este cuplat, A1 fiind liber, cuplul motorului cu ardere internă MAI este partajat între arborele de ieşire şi generatorul G într-o configuraţie hibridă mixtă. Aşa cum s-a afirmat mai sus, în regimul 2, prin comanda curentului de ieşire al generatorului se poate varia turaţia arborelui 10 astfel încât, dacă se menţine constant debitul de aer aspirat (de exemplu, cu ajutorul unui sistem electric de acţionare al obturatorului, ETC), motorul cu ardere internă va genera un cuplu constant de ieşire. Configuraţia în care MAI este cuplat cu generatorul G astfel încât o parte a cuplului său de ieşire se transmite acestuia din urmă, restul fiind utilizat pentru propulsie determină o îmbunătăţire a consumului de combustibil deoarece MAI poate funcţiona în regimurile de randament maxim cu o reacţiune controlată din partea generatorului. Este astfel posibil ca întreaga putere a MAI să fie utilizată la producerea de energie electrică. Cel mai utilizat dispozitiv de partajare a cuplului este mecanismul de distribuţie de tip planetar, generatorul fiind cuplat mai aproape în toate arhitecturile PS de pinionul solar. Un senzor de turaţie monitorizează în permanenţă turaţia generatorului pentru a determina orice defecţiune posibilă ce poate conduce la pierderea controlului (întreruperea unei linii de alimentare, scurt circuit într-o bobină a statorului, etc.), în acest caz turaţia sa putând să crească la valori extraordinar de mari. O configuraţie care asigură un nivel mai ridicat de siguranţă prin prevenire posibilităţii generatorului de a funcţiona îmn regimuri de turaţie excesiv de mare este cea propusă de firma japoneză Aisin şi prezentată în Fig. . Lanţul propulsor este organizat pe patru nivele, în înălţime, fapt ce oferă posibilitatea unei construcţii foarte compacte ce ocupă un spaţiu restrâns din compartimentul motor şi favorizează poziţionarea sa transaxială. Pe primul ax , 1-1’ se poziţionează coaxial MAI şi generatorul MG1 prin intermediul dispozitivului planetar PS, motorul cu ardere internă fiind cuplat cu dispozitivul portsatelit P, iar generatorul la arborele pinionului solar S. Atât cuplul MAI cât şi cel al MG1 constituie intrări în dispozitivul de partajare a cuplului, ieşirea făcându-se prin coroana planetară R şi roata dinţată 5 din sistemul de transmisie 5/6. Tot din acest sistem de transmisia face parte şi roata 7 cuplată la arborele 2 al MG 2 , acesta constintuind cel 3.
de-al doilea ax . MG 2 funcţionează de regulă ca motor în configuraţie pur electrică sau mixtă (cu MAI ), dar şi ca generator în cazurile de recuperare a energiei de frânare, dată fiind legătura cu diferenţialul D f şi implicit cu roţile motoare.
57
Fig.1. Configuraţie hibridă PS cu prevenirea funcţionării generatorului în regimuri de turaţie foarte înalte Cel de-al treilea ax aparţine arborelui de ieşire al transmisiei care prin roata dinţată 8 transmite cuplul de ieşie la coroana 9 a diferenţialului, aceasta definind cel de-al patrulea ax . În configuraţia tip paralel cu partajare a cuplului motorului cu ardere internă MAI , procesul de regenerare a stării bateriei este mai performant, astfel încât, în baterie va exista întotdeauna o rezervă de energie pentru propulsii electrice de durată şi sarcini reduse. În scopul micşorării consumului şi a nivelului de poluare, atât propulsarea la pornire cât şi antrenarea motorului cu ardere internă MAI se vor efectua de către motorul electric. Schematizat, căile de propulsie pentru un vehicul electric hibrid cu partajarea cuplului motorului cu ardere internă MAI sunt reprezentate în Fig.1.4.
58
Fig.1.4 Modalităţile de propulsie a vehicul electric hibrid de tip paralel cu partajare a cuplului motorului cu ardere internă MAI O soluţie mai complexă o reprezintă dubla motorizare electrică a liniei propulsoare, ea funcţionând la fel de bine şi în configuraţie tip serie şi în cea de tip paralel (Dual System [ 4 ]). Linia de tracţiune este prevăzută în afară de motorul cu ardere internă MAI , cu un sistem trans-axial realizat din două maşini electrice şi un mecanism reductor planetar. Prima maşină electrică de dimensiuni şi putere mai reduse, MG1, este cuplată la pinionul solar şi poate funcţiona ca starter la pornire, generator în regimuri de sarcină redusă sau parţială, respectiv ca sursă de propulsie în sarcinile mari. Cel de-a doua maşină electrică , MG2 de putere superioară este folosită exclusiv pentru susţinerea energetică a motorului cu ardere internă MAI şi creşterea randamentului de funcţionare al vehiculului. Schema dispozitivului trans-axial este prezentată în Fig.1.5. . O altă dispunere a celor trei elemente propulsoare cât şi implementarea practică este prezentată în Fig. şi aparţine primei variante de lanţ propulsor hibrid de tip power-split realizat în producţie de serie pe autoturismul Toyota Prius. În figura respectivă au fost utilizate notaţiile: 1sateliţi; 2-port-satelit; 3-arbore de cuplare cu motorul cu ardere internă MAI ; 4-coroana planetară; 5- arborele motor cuplat cu coroana planetară şi rotorul MG2; 6- angrenaj prin lanţ cu arborele secundar; 7-rotor MG2; 8-înfăşurări statorice trifazate pentru MG2; 9- rezolver sau traductor de turaţie a arborelui motor; 10- arbore solar; 11- rezolver sau traductor de turaţie a arborelui solar; 12–angrenaj între arborele secundar şi diferenţial; 13diferenţial;14 stator MG1; 15 rotor MG; PS dispozitiv planetar de partajare a cuplului; ETC sistem electronic de comandă aclapetei de accelerţie.
59
Cuplarea arborelui motor cu arborele principal al lanţului propulsor se face prin intermediul unui amortizor de vibraţii 16 care are rolul de a absorbii fluctuaţiile de cuplu ale arborelui cotit datorate exploziilor şi fazelor de compresie.
Fig.1.5 Sistem transaxial cu dublă motorizare electrică a liniei propulsoare 1-sateliţi; 2-port-satelit; 3-arbore de cuplare cu motorul cu ardere internă MAI; 4coroana planetară; 5- arborele motor cuplat cu coroana planetară şi rotorul MG2; 6- angrenaj prin lanţ sau curea cu arborele secundar; 7-rotor MG1; 8-înfăşurări statorice trifazate; 9- rezolver sau traductor de turaţie a arborelui motor; 10arbore solar; 11- rezolver sau traductor de turaţie a arborelui solar; 12–angrenaj între arborele secundar şi diferenţial; 13- diferenţial;14, 15 axe motoare la cele două roţi.
Aşa cum s-a aminitit anterior, atunci când se are în vedere gestionarea cuplului de ieşire la un vehicul hibrid de tip paralel, trebuie avut în vedere faptul că marea majoritate a energiei de propulsie provine de la combustibilul din rezervor. Bateria este încărcată utilizând maşina electrică ME ca generator şi transformând astfel energia mecanică în energie electrică. O altă sursă de regenerare a stării bateriei o constă captarea energiei rezultate din deceleraţii sau frânări (frânare recuperativă). Această energie este disponibilă doar pentru stocare nu şi pentru propulsie, dat fiind faptul că vehiculul a fost antrenat iniţial de motorul cu ardere internă MAI
60
sau motorul electric ME . Modalităţile posibile de reâncărcare a bateriei sunt prezentate schematizat în Fig.1.6.
Fig.1. Sistemul hibrid paralel cu partajarea cuplului utilizat de Toyota pe automobilul Prius Controlul unui vehicul electric hibrid de tip paralel trebuie să găsească soluţii la următoarele două probleme:
61
presupunând că regimul stabilit de conducătorul auto şi cererea de putere astfel impusă trebuiesc realizate în contextul respectării şi a unei anumite manevrabilităţi, cum se va distribui forţa de propulsie pe motorul cu ardere internă MAI şi pe motorul electric ME astfel încât să rezulte un randament maxim?;
ţinând cont de modalităţile de reâncărcare a bateriei ca unică sursă de energie pentru motorul electric ME schematizate în Fig.1.6, când se va utiliza frânarea cu recuperare de energie şi când va trebui motorul cu ardere internă MAI să încarce bateria?
Fig.1.6 Căile de reîncărcare a bateriei într-un vehicul hibrid cu partajare a cuplului Răspunsul la cea de-a doua problemă este oarecum evident şi anume: pentru reîncărcarea bateriei frânarea cu recuperare trebuie realizată ori de câte ori este posibil şi în orice condiţii atât timp cât bateria mai are capacitate disponibilă, iar energia provenită din frânări sau deccelerări trebuie preluată pe cât posibil în întregime deoarece nu costă nimic. Problema gestionării sursei de propulsie la roţile motoare este mult mai complexă. Unul dintre aspectele importante vizează condiţiile în care motorul cu ardere internă MAI este folosit la producerea forţei de propulsie în mod direct sau indirect prin încărcarea prealabilă a bateriei. Cele două posibilităţi sunt prezentate schematizat în Fig.1.7.
62
Fig.1.7 Căile posibile de transmitere a forţei de propulsie de la motorul cu ardere internă MAI la roţi Este evident că transmiterea directă a cuplului motorului cu ardere internă MAI la roţile motoare este mai avantajoasă deoarece evită micşorarea randamentului determinată de transformările: • energiei mecanice în energie electrică cu randament ηG ; • energiei electrice în energie chimică în baterie şi invers, cu randamentul ηbat = ηinc ⋅η desc ; •
respectiv a energiei electrice în energie mecanică prin motorul electric, ηM . În primul rând trebuie precizat că randamentele maşinii electrice depăşesc valoarea de 90%, fiind cu mult superioare eficienţei cu care funcţionează motorul cu ardere internă MAI (cel mult 33% pentru motorul cu aprindere prin scânteie şi respectiv 45% pentru motorul Diesel), iar cele ale transmisiei şi diferenţialului pot fi considerate aproximativ unitare. Mai trebuie avut în vedere faptul că energia stocată în baterie este permanent disponibilă, iar regimurile de lucru în care are loc eliberarea acestei energii pot să difere substanţial de cele în care a avut loc stocarea sa. Aceste regimuri se referă în principal la situaţiile în care puterea necesară la roţi depăşeşte puterea pe care o poate furniza motorul cu ardere internă MAI sau la cele în care motorul cu ardere internă MAI nu poate funcţiona eficient, ca de exemplu, pornirea, funcţionarea la turaţii reduse, etc. Stocarea din timp a energiei în baterie pentru a fi disponibilă în aceste situaţii, permite utilizatea unor motoare cu ardere internă MAI , respectiv a
63
unor motoare electrice ME de dimensiuni mai reduse comparativ cu cele necesare pentru a susţine independent şi direct aceeaşi putere. Utilizarea căii indirecte de propulsie măreşte complexitatea algoritmului de calcul al consumului şi economiei de combustibil. Pentru calea directă, consumul se determină simplu ca raport între cantitatea de combustibil consumată într-un anumit interval de timp şi distanţa parcursă de autovehicul în acel interval. De regulă, parcursul utilizat pentru determinarea consumului este unul de tip urban, standardizat (de exemplu în Statele Unite ale Americii ciclul FUDS- Federal Urban Drive Cycle, în Europa ciclul ECE15, US06, HWFET, FTP, în Japonia ciclul Japanese 10-15 Cycle, etc.). In cazul vehiculele electrice hibride trebuie luată în calcul şi energia stocată în baterie, care se poate aprecia prin integarea curentului de încărcare/descărcare în tipul unui ciclu de test, Δt . Utilizarea unei transmisii continuu variabile, CVT, permite o creştere a randamentului total al vehicului deoarece, spre deosebire de o transmisie manuală sau chiar automată la care selectarea treptei de viteză se limitează la numărul de trepte disponibile, selectarea treptei de transmisie se face în cazul transmisiei continuu variabile CVT în mod optimal şi adaptiv faţă de regimul de funcţionare respectiv. Dar şi mai important este faptul că transmisia continuu variabilă CVT adaugă un grad în plus de libertate la posibilităţile de control ale motorului cu ardere internă MAI . Astfel, este foarte dificil să poată fi impus un regim de funcţionare motorului cu ardere internă MAI (cuplu, turaţie) doar prin deschiderea clapetei de acceleraţie (un grad de libertate). În schimb, este mai simplu să se controleze cuplul motor prin deschiderea clapetei, în timp ce turaţia va fi menţinută la valoarea prestabilită cu ajutorul transmisiei continuu variabile CVT. Problema care se pune constă în a determina unghiul de deschidere al clapetei şi raportul de transmisie variabil al CVT, astfel încât să rezulte o reducere la maxim a consumului de combustibil, concomitent cu propulsarea vehiculului la parametrii de putere impuşi de conducătorul auto. Principalul dezavantaj al unui vehiculului electric hibrid de tip paralel constă în legătura directă a motorului cu ardere internă MAI la roţile motoare fapt care generează regimuri tranzitorii de funcţionare. Acesta este însă preţul care trebuie plătit pentru o dinamică mult superioară vehiculelor de tip serie. Faptul că ambele surse de propulsie pot acţiona simultan la axul roţilor motoare, face ca vehiculele electrice de tip paralel să exceleze în regimuri de sarcină mare unde funcţionează cu randament superior comparativ chiar cu cel al motoarelor Diesel. Desele porniri sau opriri ale motorului cu ardere internă MAI îngreunează şi mai mult sarcina de comandă şi control atât a propulsiei vehiculului electric hibrid cât şi a funcţionării echipamentelor auxiliare sau accesorii, precum sistemul de condiţionare a aerului sau direcţia asistată.
64
Pentru soluţionarea acestor probleme este nevoie de sisteme performante de monitorizare şi control. 5. CONSIDERENTE LEGATE DE UTILIZAREA MOTORULUI CU ARDERE INTERNĂ ÎNTR-UN LANŢ DE PROPULSIE HIBRID
Cele mai vizate motoare cu ardere internă MAI pentru configuraţiile hibride sunt în ordine, cele cu aprindere prin scânteie SI (Spark Ignition), cu injecţie directă de benzină, GDI (Gasoline Direct Injection) şi motoarele diesel, CI (Compression Ignition). În afara acestor tipuri convenţionale, în ultimii ani au apărut motoare având principii de funcţionare oarecum diferite şi parametrii superiori în ceea ce priveşte consumul, poluarea, randamentul termic, variaţia ciclică, etc. Unul dintre aceste noi tipuri (aflat în stadii de cercetare avansată) este motorul cu sarcină omogenă şi aprindere prin compresie, HCCI (Homogeneous Charge, Compression Ignition) numit uneori impropriu motor cu autoaprindere controlată, CAI (Controlled Auto Ignition). S-a încetăţenit ideea de cataloga tehnologia HCCI ca o grupare de concepte ce utilizează motorina drept combustibil, în timp ce CAI este folosit pentru a grupa conceptele legate de alimentarea cu benzină. Funcţionarea lor este diferită tocmai datorită comportamentului deosebit al celor două tipuri de combustibil. În ceea ce priveşte omogenizarea amestecului urmat de autoaprinderea sa, benzina prezintă unele avantaje asupra motorinei datorită calităţii privind autoaprinderea şi a punctului de fierbere mai coborât (între 30 şi 180°C). Astfel spus, motorina are o temperatură de evaporare mai mare decât benzina la presiunea atmosferică şi este mai puţin rezistentă la autoaprindere. Principiul de bază ce stă la funcţionarea motoarelor HCCI şi CAI constă în comprimarea (la presiuni mai mari, respectiv mai mici) amestecului aer/combustibil, eventual împreună cu alte produse de ardere (EGR) la temperaturi care permit autoaprinderea în apropierea punctului mort superior. Ambele tehnologii combină caracteristici atât de la motorul Diesel cât şi de la MAS tradiţional. Deşi principiul se aplică atât la motoarele CI cât şi SI , procesele de ardere sunt diferite datorită naturii combustibilului utilizat, motorină, respectiv benzină. La motorul HCCI combustibilul este iniţial amestecat cu aerul în vederea formării unui amestec omogen (la fel ca la MAS ) însă foarte sărac. Atunci când pistonul atinge punctul de maximă înălţime amestecul omogen şi sărac se autoaprinde datorită presiunii şi temperaturii înalte specifice sfârştului cursei de compresie, la fel ca la un motor Diesel. Raportul de compresie are valori apropiate de cel al motoarelor Diesel fiind cuprins în domeniul 15 ÷ 18. Deşi funcţionează ca un motor cu autoaprindere prin
65
compresie, principalele atuuri ale motorului HCCI constau în conţinutul redus de emisii de NO x datorat temperaturilor de ardere relativ scăzute a unui amestec combustibil diluat , respectiv a unor emisii cvasinule de funingine rezultate ca urmare a premixării (omogenizării) amestecului sărac. Autoaprinderea de tip HCCI nu produce detonaţii specifice MAS datorită faptului că excesul de aer (suplimentat prin recirculare din evacuare EGR ) menţine temperatura gazelor de ardere la niveluri relativ scăzute acţionând ca un schimbător de căldură. Diluarea amestecului combustibil la HCCI este un factor esenţial atât prin faptul că încetineşte viteza de ardere, respectiv procesul de eliberare a căldurii micşorând semnificativ probabilitatea de detonţie cât şi datorită iniţierii autoaprinderii în mai multe puncte ca urmare a omogenizării amestecului. Din contră, aplicată în cazul MAS , diluarea cu gazele fierbinţi din evacuare provoacă o creştere a temperaturii la începutul cursei de comprimare, ceea ce îmbunătăţeşte autoaprinderea. Mai mult, radicali specifici prezenţi în gazele de ardere la momentul închiderii supapei de admisie accelerează procesele chimice ce preced momentul arderii principale şi eliberarea căldurii. Raportul de comprimare este mai ridicat decât la motoarele SI , fiind inferior faţă de cel al motoarelor cu aprindere prin compresie convenţionale ceea ce le conferă avantajul unui bun randament termic, iar absenţa obturatorului elimină pierderile prin pompaj. Printre alte avantaje ale acestui tip de motor putem enumera amestecul de combustibil foarte sărac, pierderi scăzute prin radiaţie termică şi o variabilitate ciclică redusă. Principala limitare a sa ceea ce explică şi absenţa pe modele de serie, constă în dificultatea de comandă a timpilor de aprindere ai amestecului şi a vitezei de ardere în diferite regimuri de funcţionare. Acest fenomen se datoreşte faptului că declanşarea autoaprinderii amestecului se produce atunci când acesta atinge o anumită temperatură. Din acest motiv, autoaprinderea poate avea loc oricând pe parcursul cursei de compresie, amestecul finalizându-se înainte ca pistonul să ajungă la punctul mort superior, TDC . În cazul sarcinilor mari, condiţiile de aprindere sunt mai favorabile rezultând o autoaprindere mai avansată în paralel cu o viteză de ardere superioară datorată amestecului mai bogat. Eliberarea de căldură se face prea devreme şi ca urmare, randamentul se micşorează. Nici în cazul sarcinilor parţiale sau reduse, funcţionarea normală nu este cea optimă deoarece în acest caz autoaprinderea este întârziată, iar viteza de ardere mai redusă fapt ce conduce la o creştere a emisiilor de hidrocarburi şi monoxid de carbon cu toate că amestecul este foarte sărac. Pe măsura creşterii turaţiei, deci a scăderii timpului disponibil reacţiilor premergătoare producerii autoaprinderii şi datorită temperaturii reduse a amestecului, eliberarea de căldură este întârziată, aprinderea putând fi astfel compromisă.
66
Altfel spus, domeniile de funcţionare ale motorului HCCI în care desfăşurarea arderii este cea dorită sunt extrem de limitate. Injecţia motorinei în portul supapei de admisie ca în cazul SI , sau injecţia în cilindru avansată (de exemplu în cursa de admisie) în vederea obţinerii amestecului omogen la sfârşitul ciclului de comprimare conduce la probleme de evaporare, depuneri pe pereţii cilindrilor şi amestec insuficient. Pentru a nu ajunge la un amestec stratificat şi o autoaprindere avansată, ca în cazul motoarelor Diesel convenţionate, la HCCI raportul de compresie este mai coborât, iar amestecul trebuie răcit prin recircularea gazelor de evacuare, deoarece motorina se autoaprinde relativ uşor. Pe de altă parte, motorul CAI alimentat cu benzină înlocuieşte aprinderea amestecului pe baza arcului electric produs de bujie cu o autoaprindere controlată, obţinută datorită unei presiuni mult mai ridicate în compresie faţă de motorul SI convenţional, a unui amestec combustibil menţinut strict la valoarea stoichiometrică ( λ = 1 ) şi a unui procent considerabil de gaze arse recirculate rezultat prin utilizarea unui sistem de distribuţie integral variabilă (ca timp şi amplitudine a lobului). Producerea autoaprinderii benzinei şi mai ales controlul întârzierii autoaprinderii pentru realizarea unei arderi corespunzătoare depind în primul rând de compoziţia şi curba de creştere a temperaturii amestecului omogen aspirat în cilindrii (sarcina motorului), deoarece în funcţie de acestea se stabilesc şi momentul de start al autoaprinderii (SOC Start Of Combustion), gradientul maxim de creştere a presiunii în cilindri, valoarea de vârf a presiunii sau viteza de desfăşurare a reacţiilor chimice de combustie. O serie de parametri motor printre care turaţia, debitul de combustibil, temperatura admisiei, presiunea în admisie, raportul de compresie, procentul de gaze inerte şi temperatura compuşilor din sarcina cilindrilor influenţează mai mult sau mai puţin temperatura şi gradientul ei de creştere. Numeroasele experimente realizate au demonstrat că atingerea unei temperaturi prestabilite în camera de ardere pentru declanşarea controlată a autoaprinderii este extrem de dificilă sub aspect al controlului. Pentru a asigura şi temperatura necesară funcţionării reacţiilor chimica de reducere a nivelului emisiilor poluante, este de dorit poziţionarea catalizatoarelor cât mai aproape de motor nemaifiind astfel necesară aducerea şi recircularea de gaze arse prin catalizator. Spre deosebire de HCCI, la motorul CAI gazele rezultate din ciclul de ardere anterior şi rămase în cilindru determină creşterea temperaturii amestecului de ardere pentru ciclul următor. O creştere a procentului acestor gaze determină o temperatură mai mare a amestecului la sfârşitul compresiei, de unde şi posibilitatea de control a autoaprinderii. Controlul gazelor de ardere rămase în cilindrii se face cu ajutorul unui sistem de distribuţie variabilă care modifică timpul de închidere a cel puţin
67
unei supape de evacuare în raport cu o serie de parametrii funcţionali ai motorului. Curent, pe modelele hibride de serie fabricate în prezent sunt utilizate motoare SI , mai rar GDI şi foarte rar diesel. Dacă într-o linie propulsoare convenţională motorul diesel oferă performanţe superioare, în sistemele hibride MAS prezintă o caracteristică ce le face mai atractive şi care se încearcă a fi obţinută prin diverse strategii de control şi la celelalte tipuri de motoare. Astfel, dacă se presupune un randament de funcţionare constant pe un domeniu cât mai extins de turaţii al motorului cu aprindere prin scânteie MAS, unghiuri constante de acţionare ale pedalei de acceleraţie determină puteri constante furnizate de motor. Ca urmare, motoarele alimentate cu benzină vor reprezenta probabil principala sursă de propulsie într-un lanţ hibrid prin prisma puterii specifice, emisiilor poluante şi al costurilor. Tehnologic, direcţiile actuale de cercetare urmăresc îmbunătăţirea randamentului termic (injecţia directă, supra-alimentarea, reducerea frecărilor, folosirea unor amestecuri foarte diluate, creşterea rapoartelor de compresie, distribuţia variabilă, tratamentul anti NO x , amestecuri omogene, controlul autoaprinderii utilizată la motoarele alimentate cu benzină) şi al cuplului de ieşire al MAS şi GDI pentru aducerea la valori comparabile cu cele specifice motoarelor diesel. Evitarea regimurilor tranzitorii şi funcţionarea în vecinătatea caracteristicii de consum relativ minim pe un domeniu cât mai extins al turaţiilor şi cuplului de ieşire constituie obiectivele primordiale ale sistemelor electronice de control ale motoarelor cu ardere internă MAI integrate în linii de propulsie hibride . Zonele optime trebuiesc determinate şi generate în orice regim de funcţionare impus de conducătorul auto prin intermediul pedalei de acceleraţie, ca unic mijloc de control pentru vehiculul hibrid ce oferă acestuia senzaţia de consistenţă şi ”simţire a pedalei” necesare unei bune şi corecte manevrabilităţi. Spre exemplu, la urcarea unei pante, conducătorul auto apasă pedala de acceleraţie în conformitate cu dorinţa sa privind puterea cu care vehiculul trebuie să abordeze panta respectivă. Pentru unghiul respectiv al obturatorului, cuplul (puterea dorită raportată la turaţia motorului) motorului cu ardere internă MAI necesar abordării corecte a pantei respective nu este suficient astfel încât motorul electric ME va furniza transmisiei finale un cuplu suplimentar corespunzător cu apăsarea pedalei de acceleraţie. Deşi obiectivele sunt comune, metodele de control a formării amestecului combustibil şi a arderii acestuia diferă substanţial pentru cele trei tipuri de motoare amintite. Dacă pentru motorul cu aprindere prin scânteie MAS şi motorul cu injecţie directă de benzină MID funcţionând la valori constante ale raportului aer/combustibil, formarea amestecului
68
depinde de controlul obturatorului admisiei şi al debitului de aer în cilindri, la motorul diesel, neexistând obturator, controlul motorului se referă strict la gestiunea debitului combustibilului injectat. Însă indiferent de tipul motorului, unghiul clapetei de acceleraţie şi selectarea regimului de lucru definesc dorinţa conducătorului auto de a dispune de o anumită putere la roţi, aceasta fiind suma dintre puterea motorului cu ardere internă MAI şi cea a motorului electric ME . În aceeaşi accepţiune, puterea dorită la roţi este suma dintre puterea dorită la arborele motorului cu ardere internă MAI şi puterea dorită a motorului electric. Pentru a oferi un răspuns optim în putere la o anumită apăsare a pedalei de acceleraţie, sistemele de control ale motorului utilizează de regulă cartograme de randament constant, precalibrate şi stocate în memoria unităţilor electronice ce fac posibilă funcţionarea motorului cu ardere internă MAI în regiuni ale randamentului pentru care regimurile cuplu turaţie se situează în zonele de consum specific minim (polul economic). Un astfel de exemplu este prezentat în Fig. 1.9. Sunt considerate două strategii posibile de funcţionare pentru un vehicul electric hibrid VEH1 de tip CD (serie) funcţionând preponderent în mod ZEV , respectiv pentru un vehicul electric hibrid VEH2 de tip mixt funcţionând atât în mod CD (serie) cât şi în mod CS (paralel). Punctul SOC * reprezintă starea de încărcare minimă a bateriei pentru care mai este posibilă propulsia vehiculului VEH1 în condiţii normale. La atingerea stării limită inferioară a bateriei, SOC − , (punctul A) sistemul de control trebuie să comute pe un mod de putere redusă cu încărcarea bateriei (AA’). Prin structura sa, modul de funcţionare CD va epuiza oricum bateria şi impune comutarea, mai devreme sau mai târziu pe încărcare. Strategia de funcţionare a primului vehicul ( CD ) va permite comutarea din modul ZEV în modul HEV astfel încât bateria să atingă starea de epuizare cât mai târziu posibil, ceea ce conduce la atingerea unei autonomii cât mai mari.
69
Fig. 1.9 Reprezentarea grafică a strategiilor de funcţionare în cazul unui vehicul electric hibrid serie de tip CD , respectiv a unui vehicul electric hibrid cu posibilităţi de funcţionare în mod mixt (serie, paralel) Dacă VEH1 va comuta mai târziu, (punctul A ), epuizarea bateriei se va realiza mai rapid, în schimb distanţa parcursă în mod ZEV va fi superioară. Dacă se sacrifică din modul de funcţionare ZEV în favoarea HEV (dreapta OBB’) printr-o comutare mai rapidă a modurilor (punctul B), atunci se va evita epuizarea prematură a bateriei. VEH2 ce permite funcţionarea în ambele moduri, nu va atinge în mod normal, starea de epuizare a bateriei, SOC . La atingerea stării limite a bateriei, SOC**, ce permite încă funcţionarea normală (punctul C) sistemul de control comută automat din ZEV în HEV. Din acest moment sunt posibile două strategii. Prima presupune o succesiune de comutări a modurilor de funcţionare serie/paralel (punctele C, C’, C’’..) aceste regimuri solicitând repetat bateria. Un alt mod posibil stabileşte un regim unic de funcţionare HEV menţinând neschimbată sarcina bateriei şi evitând modificări abrupte în SOC . Este important de precizat că motorul cu ardere internă MAI funcţionează în ambele cazuri într-un regim constant (cuplu, turaţie), variaţiile de sarcină fiind preluate doar de motorul electric ME şi baterie. Funcţionarea vehiculului electric hibrid de tip paralel Cea mai compactă soluţie de interconectare a motoarelor electrice cu MAI în cadrul unei configuraţii hibride de tip paralel rezultă în cazul coliniarităţii lor axiale. Piesa centrală a sistemului de propulsie hibrid ce asigură aceast deziderat o constituie mecanismul de transmisie planetar. Caracteristica sa principală constă în posibilitatea determinării parametrilor de stare (turaţie, cuplu) a tuturor celor trei axe plecând de la valorile cunoscute ale turaţiilor a două axe şi a valorii cuplului uneia dintre cele trei axe. Utilizarea unui dispozitiv de transmisie de tip planetar, ce permite coaxialitatea arborilor motoarelor electrice cu cel al motorului cu ardere internă, se confruntă însă cu limitări semnificative. Astfel, dacă nu se realizează efectiv blocarea uneia dintre cele trei componente, angrenajul
70
planetar este capabil să multiplice turaţiile, dar nu şi cuplurile. Prin urmare, marele avantaj al utilizării unui angrenaj planetar pentru a însuma cuplurile motorului electric ME şi al motorului cu ardere internă MAI la arborele de ieşire coaxial este utilizabil numai în cazul blocării sale. Pornirea vehiculelor electrice hibride Spre deosebire de propulsia clasică cu ajutorul unui motor cu ardere internă comutările dese şi rapide specifice modului de propulsie hibrid ce produc opriri/porniri repetate ale motorului cu ardere internă MAI fac ca acesta să intre des în regimuri de funcţionare tranzitorii. Într-un astfel de regim, procedura de control este complicată, iar nivelul emisiilor poluante crescut. Cu precădere, când motorul cu ardere internă MAI este rece sau funcţionează la temperaturi joase, un procent mare de combustibil se depune pe pereţii reci ai galeriei de admisie sau aderă la cei ai camerei de ardere sub formă de peliculă lichidă. Atunci când motorul cu ardere internă MAI este oprit, acest combustibil se evaporă treptat. La o nouă repornire a motorului cu ardere internă MAI ce se poate succeda rapid şi înainte ca toată această cantitate de combustibil să se fi vaporizat suficient, surplusul de combustibil rămas aderent la pereţii galeriei sau ai camerei de ardere constituie o sursă de eroare deoarece se adaugă la cantitatea de combustibil determinată de blocul electronic de control al motorului cu ardere internă MAI . Strategii de control a motorului cu ardere internă integrat într-un lanţ propulsor de tip hibrid Linia propulsoare al unui vehicul electric hibrid comparativ cu cel al unui vehicul convenţional echipat doar cu un motor cu ardere internă MAI prezintă, pentru o aceeaşi autonomie de funcţionare, o serie de salturi calitative dintre care reducerea consumului de combustibil şi al nivelului de emisii poluante până aproape de zero constituie caracteristicile de bază. Pentru a putea realiza aceste performanţe, pe lângă diverse strategii de partajare a cuplului impuse de sistemul dual de propulsare ce acţionează pe aceeaşi transmisie finală se impun şi noi metode de control a motorului cu ardere internă, principala sursă de poluare şi consum într-o astfel de configuraţie.
BIBLIOGRAFIE [1] Chassis Trends, Automotive Engineering International, August 2002
71
[2] California Energy Commission, „ Analysis and Forecast of the Performance and Cost of Conventional and Electric-Hybrid Vehicles” Consultant Report, March 2002; [3] Hellman k., Peralta M.,Piotrowski G., „Evaluation of a Toyota Prius Hybrid System (THS)”, EPA Technical Report, 1998 [4 „ Strategies in Electric and Hybrid Vehicle Design”, SAE Special Publication No. SP-1156, 1996 [5] Toyota Motor Corporation Communications Dept.”Toyota Electric and Hybrid Vehicles”, December 1997, Tokyo, Japan [6] Corrigan, D., Menjak, I., Dhar S.,”Nickel-Metal Hydride Batteries for ZEV -Range Hybrid Electric Vehicles”, University of California, PNGV Future Truck Technical Report, June 2000 [7] Stempel R., Ovshinsky, S.R,.Gifford P., Annual Battery Conference on applications and Advances’, IEEE Spectrum, 35,(No 11, 29, 1998 [8] Panasonic „Lithium-Ion Batteries, Technical Handbook”, 2000, International English [9] Panasonic „Nickel Cadmium Batteries, Technical Handbook”, 2000, International English; [10] Panasonic „Ni-MH Batteries, Technical Handbook”, 2000, International English; [12], Lipman, T.E, „The Cost of Manufacturing Electric Vehicle Batteries”, Report ror CARB, Institute of Transportation Studies, Davis, 1999 [13] Johnson, V., et al „Development and validation of a temperature – dependent resistance/capacitance battery model for ADVISOR”, Electric Vehicle Symposium 18, 2001, Germany [14] Kotwicki, A. J., ”Dynamic models for torque converter equipped vehicles,” SAE Papers, Paper No. 820393, 1982; [15] Hrovat, D., Tobler, W. E., ” Bond graph modeling and computer simulation of automotive torque converters,” Journal of Franklin Institute, Volume 319, Issue 1-2, 1985; [16] Jung, K., Lee, H., Kim, T.,et. al., ”Dynamic Characteristics of CVT Electro-Hydraulic Control Valves including Shift Dynamics,” FISITA World Automotive Congress, June 12-15, Seoul , Korea; [17] Yang, W., et.al., ”On the use of Engine Modulation for Deceleration Control of Continously Variable Transmission Vehicles,” SAE Technical Paper, Paper No. 850490, 1985; [18] Yang, W., et al.,”An optimization technique for the design of a continously variable transmission control system for automobiles,” Int. Journal of Vehicle Design, Vol. 6, No.1, Jan. 1985;
72
