ROM NIA MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETĂRII ŞI TINERETULUI Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi
FACULTATEA DE
MECANICĂ
URL: www.mec.tuiasi.ro * E-mail:
[email protected] [email protected] Tel./fax. +40 232 232337 * B-dul Dimitrie Mangeron, nr.61 , 700050, Iaşi
SISTEME
NECONVENȚIONALE DE PROPULSIE ȘI TRANSPORT -Autovehicule hibride-
Iași 2013-2014
CUPRINS Capitolul 1 ......................................................................................................... ............................................................................................................................................... ...................................... 3 1. INTRODUCERE IN VEHICULE ELECTRICE HIBRIDE ...................................................................... 3
1.1 Vehicule electrice și vehicule electrice hibride ............................................................... ....................... 4 1.2 Evoluția vehiculelor electrice................................................................................................................. 8 1.3 Vehicule electrice hibride .................................................................................................................... 11
1.3.1 Vehicule hibride cu propulsie electrică ............................................................. ..................... 12 1.3.2 Clasificarea vehiculelor electrice hibride .......................................................... ..................... 14
Capitolul 2 ......................................................................................................... ............................................................................................................................................. .................................... 17 2. ARHITECTURI DE VEHICULE ELECTRICE HIBRIDE .................................................................... 17
2.1 Considerații privind funcționarea vehiculelor electrice hibride ........................................................... 17 2.2 Criterii de clasificare a vehiculelor electrice hibride ...................................................... ..................... 22 2.3 Vehicule electrice hibride de tip serie ....................................................... ........................................... 23 2.4 Vehicule electrice hibride hibride de tip paralel.............................................................. ................................ 25 2.5 Vehicule electric e hibride în configurare mixtă (dual mod) ................................................................ 28
2.5.1 Toyota Prius Hybrid Synergy Drive® ................................................................................... 29 2.5.1.1 Ce este Toyota Hybrid Synergy Drive®? .............................................................. .......... 30
2.5.1.2 Transmisia hibridă de la Toyota ...................................................................................... 30 2.5.1.3 Soluții propuse pentru optimizarea constructivă a transmisiei hibride ............................ 38 2.6 Vehicule hidraulic-hibride ................................................................................................................... 39 2.6.1 Tehnologia Hybrid Air de la PSA-Bosch ................................................................. ............. 39 Sistemul Hybrid Air de la PSA – galerie galerie foto................................................................................. 46 Citroen C3 cu tehnologie Hybrid Air ............................................................................................. 49 2.6.2 Motorul hibrid Scuderi .......................................................................................................... 53 2.7 Concluzii ........................................................ ................................................................. ..................... 59
Capitolul 3 ......................................................................................................... ............................................................................................................................................. .................................... 60 3. ARHITERCTURI DE VEHICULE ELECTRICE .............................................................. ..................... 60
3.1 Generalități........................................................................................................................................... 60 3.2 Părți componente. Descriere ................................................................................................................ 61 3.3 Transmiterea cuplului motor la roţi ..................................................................................................... 63 3.4 Baterii .................................................................................................................................................. 65 3.5 Mitsubishi i-MiEV ............................................................................................................................... 68 3.6 Nissan Leaf - pri mul automobil electric competitiv ........................................................ ..................... 75 3.7 Modele de automobile electrice ................................................................ ........................................... 82
3.8 Comparație între automobile electrice ................................................................................................. 88 Bibliografie ................................................................................................................................................ 94
2
CUPRINS Capitolul 1 ......................................................................................................... ............................................................................................................................................... ...................................... 3 1. INTRODUCERE IN VEHICULE ELECTRICE HIBRIDE ...................................................................... 3
1.1 Vehicule electrice și vehicule electrice hibride ............................................................... ....................... 4 1.2 Evoluția vehiculelor electrice................................................................................................................. 8 1.3 Vehicule electrice hibride .................................................................................................................... 11
1.3.1 Vehicule hibride cu propulsie electrică ............................................................. ..................... 12 1.3.2 Clasificarea vehiculelor electrice hibride .......................................................... ..................... 14
Capitolul 2 ......................................................................................................... ............................................................................................................................................. .................................... 17 2. ARHITECTURI DE VEHICULE ELECTRICE HIBRIDE .................................................................... 17
2.1 Considerații privind funcționarea vehiculelor electrice hibride ........................................................... 17 2.2 Criterii de clasificare a vehiculelor electrice hibride ...................................................... ..................... 22 2.3 Vehicule electrice hibride de tip serie ....................................................... ........................................... 23 2.4 Vehicule electrice hibride hibride de tip paralel.............................................................. ................................ 25 2.5 Vehicule electric e hibride în configurare mixtă (dual mod) ................................................................ 28
2.5.1 Toyota Prius Hybrid Synergy Drive® ................................................................................... 29 2.5.1.1 Ce este Toyota Hybrid Synergy Drive®? .............................................................. .......... 30
2.5.1.2 Transmisia hibridă de la Toyota ...................................................................................... 30 2.5.1.3 Soluții propuse pentru optimizarea constructivă a transmisiei hibride ............................ 38 2.6 Vehicule hidraulic-hibride ................................................................................................................... 39 2.6.1 Tehnologia Hybrid Air de la PSA-Bosch ................................................................. ............. 39 Sistemul Hybrid Air de la PSA – galerie galerie foto................................................................................. 46 Citroen C3 cu tehnologie Hybrid Air ............................................................................................. 49 2.6.2 Motorul hibrid Scuderi .......................................................................................................... 53 2.7 Concluzii ........................................................ ................................................................. ..................... 59
Capitolul 3 ......................................................................................................... ............................................................................................................................................. .................................... 60 3. ARHITERCTURI DE VEHICULE ELECTRICE .............................................................. ..................... 60
3.1 Generalități........................................................................................................................................... 60 3.2 Părți componente. Descriere ................................................................................................................ 61 3.3 Transmiterea cuplului motor la roţi ..................................................................................................... 63 3.4 Baterii .................................................................................................................................................. 65 3.5 Mitsubishi i-MiEV ............................................................................................................................... 68 3.6 Nissan Leaf - pri mul automobil electric competitiv ........................................................ ..................... 75 3.7 Modele de automobile electrice ................................................................ ........................................... 82
3.8 Comparație între automobile electrice ................................................................................................. 88 Bibliografie ................................................................................................................................................ 94
2
Capitolul 1
1.
INTRODUCERE IN VEHICULE ELECTRICE HIBRIDE
Automobilele constituie o parte integrantă a vieții noastre cotidiene, dezvoltarea lor fiind unul dintre participalii factori care au determinat creșterea gradului de civilizație și stimularea continuă a progreselor societății. În momentul de față, una din 5 persoane active din Europa (una din 4 din SUA) este angrenată direct în industria automobilelor (cercetare, producție componente, întreținere, exploatare, reparații) sau în domenii conexe (combustibili, comerț, siguranța circulației, drumuri, etc.). Numărul de automobile de pe planeta noastră cr ește ește continuu și aproape s -a dublat față în ultimii 10 ani. Prin creșterea numă rului de automobile introduse în circulație în fiecare an, pe lângă creșterea consumului de combustibil, s-a accentuat problema poluării, datorită emisiilor de noxe ale motoarelor cu ardere internă utilizate pentru propulsia lor. Totuși cerința reducerii consumului de combustibil a devenit și mai acută întrucât este strâns legată de poluarea mediului înconjurător. Astfel, în țările dezvoltate cheltuielile ocazionate de decesul sau îngrijirile medicale generate de poluare au ajuns să depășească costurile aferente accidentelor rutiere. Automobilul necesită o sursă de propulsie a cărei cuplu motor să aibă cea mai mare valoare la turație nulă ceea ce nu poate obține de la motorul cu ardere internă clasic, mai ales la cel supraalimentat. Pe lîngă acest incovenient apar și probleme economice inerente determinate de randamentul slab al conversiei energiei în motoarele cu ardere internă. O alternativă ar fi utilizarea vehi culelor electrice, a căror număr însă nu este încă semnificativ. Vehiculele electrice sunt alimentate de la baterii electrice care sunt încărcate în stații de la surse alimentate de la rețele de energie electrică produsă în centrale electrice. Dacă se apreciază randamentu l global, plecând de la petrolul brut la efortul de tracțiune la roată, pentru cele 2 soluții: autovehicul clasic cu motor cu ardere internă și autovehicul electric alimentat de la baterii electrice, diferența dintre randamentele lor nu este spectaculoasă. În ceea ce privește emisiile avantajul este net în favoarea vehiculelor electrice. Prin utilizarea motoarelor electrice și a controalelor de mare eficiență vehiculele electrice furnizează mijloace pentru realizarea unui sistem de transport urban curat și eficient și a unui mediu înconjurător prietenos. Vehiculele electrice sunt vehicule cu emisii zero, numite și vehicule de tip ZEV (zero-emissions vehicles).
Orice vehicul care are mai mult de o sursă de putere poate fi considerat vehicul electric hibrid. Dar această denumire se folosește cel mai frecvent pentru un vehicul care utilizează pentru propulsie o combinație dintr -o acționare electrică și o acționare cu motor termic a cărui sursă de energie este combustibilul fosil. Primul vehicul electric hibrid a fost conceput înainte de 1900. Concepția vehiculului hibrid cu motor termic-motor electric urmărește depășirea inconvenientelor vehiculelor pur electrice, a căror motoare sunt alimentate de la baterii electrice: durata limitată a utilizare (autonomia redusă) și timpul mare de încărcare a bateriilor. Ca motoare termice pe vehicule electrice hibride se pot utiliza toate variantele de
motoare incluzând motoarele cu aprindere prin scânteie, cu injecție de benzină, în 2 sau 4 timpi, motoarele Diesel, motoarele Stirling sau turbine cu gaze. Motoarele termice sunt 3
proiectate pentru a funcționa la eficiență maximă, pentru a se reduce consumul de combustibil fosil și emisiile de noxe la nivelul cel mai mic posibil. Aceasta se obține prin combinarea celor 2 sisteme de propulsie și prin utilizarea unor strategii de control comp lexe pentru optimizarea interacțiunii lor. La un autovehicul convențional sistemul de propulsie utilizează un motor cu combustie internă cuplat la transmisia mecanică și roțile motoare prin inter mediul unei cutii de viteze care are rolul unui dispozitiv de adaptare dintre motor și sarcina sa. Pentru ca un vehicul să poată realiza o accelerație adecvată și pentru a putea urca anumite pante cu o viteză acceptabilă este necesar să se utilizeze pentru propulsia sa un motor termic cu o putere maximă de ieșire de aproximativ 10 ori mai mare decât puterea cerută de vehicul pentru deplasarea cu aceeași viteză pe o cale de rulare în palier și aliniament. Deoarece puterea cerută pentru deplasarea vehiculului este relativ mică în majoritatea condițiilor normale de funcționare, motorul termic nu va putea funcționa cu un randament bun. Îmbunătățirea semnificativă a randamentului motorului termic convențional poate fi obținută prin realizarea unei transmisiii con tinuu variabile (CVT) controlată electronic. Cu o asemenea transmisie, combinată cu un control electronic optimizat al consumului de combustibil se poate asigura ca motorul termic să funcționeze mult mai aproape de condițiile optime pentru un domeniu mare de viteze și condiții de sarcină diferite. La un vehicul convențional nu pot fi recuperate pierderile de energie pe durata frânării. La un vehicul electric sau un vehicul electric hibrid energia de frânare poate fi utilizată pentru reîncărcarea bateriilor electrice. În cazul vehiculului electric hibrid, în funție de modul în care sunt cuplate și controlate cele 2 surse de putere, este posibil ca motorul cu ardere internă să funcționeze la o viteză și sarcină aproape constante, în condițiile unei eficiențe mari și a emisiilor mici. Vehiculul electric hibrid funcționează ideal într -un domeniu în care puterea cerută de condițiile de deplasare este mai mică decăt puterea bateriei, cu pornirea automată și funcționarea motorului termic când puterea cerută nu poate fi satisfăcută de acționarea electrică sau bateria a fost descărcată suficient și se impune reîncărcarea ei. Este de dorit ca greutatea bateriilor să fie cât mai mică reducându -se astfel energia consumată pentru transportul acestora. Pentru a reduce emisiile se impune ca perioada de funcționare a vehiculelor numai pe baterii să fie cât mai lungă. Se satisfac astfel cerințele ca în marile orașe vehiculele să fie acționate numai electric (cu emisii zero). Pentru realizarea obiectivelor operaționale ale oricărei structuri hibride particulare trrebuie alese judicios dimensiunile bateriei, dimensiunile motorului termic și algoritmii de control utilizați. 1.1 Vehicule electrice și vehicule electrice hibride
Evoluția tehnologiilor și a sistemelor de transport a făcut ca în prezent numărul de vehicule (automobile) la nivel mondial să fie de peste o jumătate de miliard, iar estimările arată mai mult de o dublare a numărului lor în circa 2 -3 decenii, figura 1.1. În aceste condiții se ridică o serie de probleme majore legate de asigurarea combustibililor necesari precum și de creșterea emisiilor poluante în atmosferă, cu efecte negative pentru aceste probleme, ele trecând în faza strict experimentală și ajungând în prezent, cel puțin o parte, într -o fază de disponibilitate pe piață. 4
Figura 1.1 Evoluția în timp a numărului de vehivule la nivel mondial
În principiu, se au în vedere trei tipuri majore de astfel de vehicule, și anume:
vehicule electrice echipate cu baterii electrice și/sau supercondensatoare,
numite BEV (Battery Electric Vehicles),
Foto: Automobil electric - Tesla Model S Sursa: Tesla Motors
vehicule electrice hibride, care combină propulsia convențională bazată pe
motoare termice alimentate cu combustibili petrolieri cu propulsia cu motoare electrice alimentate de la baterii sau supercondensatoare, numite HEV (Hybrid Electric Vehicles),
5
Foto: Automobil hibrid - Toyota Auris Sursa: Toyota
vehicule electrice echipate cu pile de combustie, numite FCEV (Fuel Cell Electric Vehicles).
Foto: Automobil cu pile de combustie - Honda FCX Sursa: Honda
În tabelul 1.1 se prezintă câtva caracteristici comparative pentru aceste tipuri de vehicule care se află în diferite stadii de dezvoltare și de implementare practică. Foarte pe scurt se poate spune ca vehicule electrice BEV sunt eficiente pentru transport pe distanțe relativ scurte și la viteze relativ reduse, vehiculele electrice hibride HEV reprezintă o soluție pe termen mediu, prețul de cost fiind încă un impediment în dezvoltarea lor, pe măsura dezvoltării tehnologiilor necesare producerii și exploatăr ii lor. 6
Tabelul 1.1 Caracteristici ale vehiculelor electrice și hibride Vehicule electrice
Vehicule electrice hibride
-baterii electrice
-baterii electrice
-supercondensatoare
-super-condensatoare
Vehicule cu pile de combustie
Sistem energetic
Pile de combustie
-motoare termice
Surse de energie/Alimentare cu energie
Încărcare la rețeaua electrică
-stații de benzină - încărcare la rețeaua
Hidrogen , metanol, gaz
electrică (opțional)
-emisii poluante nule Caracteristici
-autonomie 100-200 [km]
-emisii poluante reduse
-emisii poluante nule sau foarte reduse
-autonomie mare
-eficiență energetică mare
-dependente de combustibili fosili
-independență de combustibili fosili
-sistem foarte complex
-disponibile în
comerț
-disponibile pe piață
-independență de combustibili fosili -autonomie medie - preț ridicat -aflate încă în dezvoltare
-managementul surselor multiple de energie
Probleme majore
-încărcarea bateriilor -masa și volumul bateriilor
-masa și volumul bateriilor
- preț ridicat - producerea și stocarea hidrogenului -siguranță în exploatare
Trebuie menționat că primul vehicul electric a fost realizat în 1834 în Rusia de către Iacobi, fiind o barcă echipată cu baterii de acumulatoare. Apariția și dezvoltarea vehiculelor cu ardere internă a dus la stoparea evoluției vehiculelor electrice. Abia din aniii 1970, după 7
crizele energetice și petroliere și după începerea conștientizării efectelor negative pe care vehiculele cu motoare termice le au asupra mediului înconjurător, vehiculele electrice revin în actualitate.
În figura 1.2 se prezintă tendințele de dezvoltare ale vehiculelor în timp. Cele trei tipuri de vehicule moderne se bazează pe o serie de tehnologii care într -o anumită măsură sunt similare, vehiculele cu hidrogen fiind considerate ca ținta pe termen mediu și lung în privința transportului curat și eficient. Dezvoltarea lor dep inde de îmbunătățirea bateriilor NiMH și a celor cu litiu, de utilizarea de supercondensatoare, de folosirea unor materiale ușoare dar rezistente, de perfecționarea sistemelor de control și optimizare. Vehicule precum Ford EV1 (1997), Mercedes Necar5 (2005), sau Nissan Altra EV au fost realizate într -o primă variantă experimentală/demonstrativă, în timp ce Toyota Prius și Honda Insight reprezintă vehicule hibride deja disponibile comercializării. Vehicule cu hidrogen FCEV Vehicule hibride HEV Tip uri de veh icul e
Vehicule electrice EV
Vehic ule pe bază de hidrocarburi
1960
1922
1980
2000
2000
1980
2020
2020
2040
2040
Anul
Figura 1.2 Tendințele de dezvoltare a vehiculelor în ti mp
1.2 Evoluția vehiculelor electrice
Dezvoltarea vehiculelor electrice este strâns legată de evoluția electricității și a mijloacelor conversiei energiei electromecanice.
Înainte de anul 1830 mijloacele de transport erau propulsate doar prin puterea abur ului, deoarece legile inducției electromagnetice, și prin urmare, motoarele și generatoarele electrice nu erau încă descoperite. Faraday a descoperit în 1831 legea inducției electromagnetice și la scurt timp a inventat motorul de curent continuu. Primele v ehicule echipate cu baterii nereîncărcabile au fost testate în 1834 și 1851. Bateriile electrice cu plumb au fost realizate în 1859, iar în 1 874 au fost utilizate pe un vehicul electric. În 1870 electricitatea este produsă de dinamo -generatoare. Prima mașină echipată cu motor cu benzină a fost realizată în 1885. În anul 1898, Ferdinand Porsche construiește Lohner Electric Chaise, aceasta având propulsie strict electrică și fiind prima mașină cu tracțiune față.
8
Este urmat de Semper Vivus (“întotdea una viu”) în anul 1900 – primul autoturism hibrid. Autoturismul utiliza un motor alimentat cu benzină și două motoare electrice. Motorul cu aprindere prin scânteie antrena un dinam, energia electrică produsă fiind stocată în bateria de acumulatori și apoi utilizată pentru propulsie de către cele două motoare electrice montate în roțile față. Viabilitatea acestui principiu de funcț ionare este dovedită la momentul actual prin utilizarea sa de către concernul GM pentru modelele Chevrolet Volt si Opel Ampera.
Tot în anul 1900 au fost vândute în lume un număr de 4200 de automobile din care 40% erau echipate cu motoare cu abur, 38% cu motoare electrice si 22% cu motoare termice.
În 1912 erau înregistrate 34000 de vehicule electrice, numărul vehiculelor electrice depășind pe cel al vehiculelor cu benzină, raportul fiind de 2 la 1. În anii 1920 începe declinul vehiculelor electrice (VE) și vehiculele cu motoare cu ardere internă devin predominante. Factorii care au condus la dispariția vehiculelor electrice, după perioada lor scurtă de succes, au fost: Inventarea demaratorului în 1911 a permis pornirea mai ușoară a vehiculelor pe benzină;
9
Îmbunătțirile în producția de serie a vehiculelor pe benzină au făcut ca acestea să devină mai ieftine decât vehiculele electrice; Zonele de rulare aveau acces limitat la electricitate pentru încălzirea bateriilor, în timp ce benzina putea fi vândută în acele zone. Interesul pentru vehiculele electrice au reapărut în anii 1960, în primul rând datorită poluării mediului înconjurător de către emisiile vehiculelor cu motoare cu ardere internă. Marii producători de vehicule cu motoare cu ardere internă, General Motors (GM) și Ford, s au implicat în cercetarea și dezvoltarea vehiculelor electrice. General Motors a început un program de 15 mil. $ care a culminat prin realizarea vehiculelor numite Electrovair și Electrovan. Componentele și specificațiile celor două vehicule (Electrovair I (1964) și
Electrovair II (1966) sunt date mai jos: motor-motor de inducție trifazat, 115 [CP], 13000 [rot/mi n],
baterie-argint-zinc (Ag-Zn), 512 [V], sursă reglabilă-invertor current continuu-curent alternative, folosind un redresor comandat, viteză maximă-128 [km/h], distanță-65÷130 [km], acceerație-0-100 [km/h] în 15,6 [s], greutatea vehiculului-1700 [kg].
În anul 1969, General Motors a creat hibridul GM 512 ce putea rula și î n mod complet electric, cu viteza redusă.
În anii 1970 General Motors a realizat un vehicul electric cu următoarele performanțe: acționare cu motor de curent continuu cu excitație separată cu o putere de 25 [kW], 2400 [rot/min]; alimentare de la un grup de baterii Ni-Zn cu o tensiune de 120 [V] și o baterie auxiliară Ni-Zn de 14 [V]; un chopper cu tiristoare pentru reglarea tensiunii indusului și un chopper cu tranzistoare bipolare pentru alimentarea circuitului de excitație; viteză maximă – 96 [km/h]; accelerație de la 0 la 88 [km/h] în 27 [s]; distanța parcursă 100 -120 [km]. Acest vehicul electric a fost folosit în principal ca un stand de testare pentru bateriile Ni -Zn. Testarea pe șosea pe o distanță de circa 57000 [km] a dovedit fiabilitatea acestui vehicul electric.
10
În perioada anilor 1980 -1990, au avut loc progrese extraordinare în domeniile dispozitivelor semiconductoare de înaltă frecvență și de mare putere, a microprocesoarelor , care au permis realizarea de convertoare de putere cu performanțe îmbunătățite pentru comanda eficientă a motoarelor electrice. Motivate de preocuparea pentru poluare și de criza potențială de energie, agenții guvernamentale, laboratoare de cercetare și marii producători de automobile au lansat un număr de inițiative pentru dezvoltarea vehiculeor cu emisii zero. Tendințele în dezvoltarea vehiculelor electrice din ultimii ani pot fi atribuite următorilor factori:
existența unor activități de nivel înalt la marii producători de automobile; apariția de noi producători independenți puternici; calitatea mai bună a noilor prototipuri; existența unei activități de nivel înalt n domeniul vehiculelor hibride; extinderea conversiilor individuale ale vehiculelor cu motoare termice în vehicule electrice;
performanțele pilelor de combustie promit rezolvarea problemelor legate de bateriile electrice.
Se prezintă performanțele vehiculului electric GM Impact 3, realizat de General Motors în 1993: acționare cu un motor de inducție trifazat de 100 [kW], în serie, pentru a obține o tensiune de 312 [V]; sursă reglabilă – invertor curent continuu-curent alternativ; realizat cu tranzistoare bipolare cu poartă izolată (IGBT); viteză maximă – 120 [km/h]; accelerație – de la 0 la 96 [km/h] în 8,5 [s]; distanță – 145 [km] pe autostradă.
1.3 Vehicule electrice hibride
Elementele principale ale vehiculelor electrice hibride sunt motorul electric și motorul termic, sursa de energie electrică și/sau sistemul de stocare a energiei ele ctrice, transmisia, electronica de putere și sistemele de comandă și control care asigură funcționarea vehiculelor pe ansamblu. În figura 1.3 se prezintă subsistemele posibile ale unei configurații de vehicul hibrid.
11
Figura 1.3 Elementele principale ale vehiculelor electrice hibride
Ca motor termic se poate folosi orice motor termic utilizat și pe vehiculele convenționale, dar proiectat și optimizat pentru sistemul vehiculelor hibride. Ca motoare electrice se folosesc mai mult motoare de curent continuu, motoare
asincrone (MAS), motoare sincrone cu magneți permanenți (MSMP), sau motoare cu reluctanță variavilă (MRV). Pentru electronica de putere se folosesc tiristoare GTO, tranzistoare Mosfet sau IGBT, iar comanda se poate face cu microprocesor, microcontrolere sau cu DSP folosind diverse tehnici (VVVF – frecvență și tensiune variabilă, CV – comandă vectorială, Cad – comandă adaptică, CN – control neuronal, control fuzzy). Ca surse de energie electrică se folosesc diverse tipuri de baterii, supercondensatoa re, pile de combustie.
Chiar și din această succintă prezentare rezultă complexitatea vehiculelor electrice hibride, și de aici complexitatea problemelor care trebuie rezolvate pentru simularea, modelarea, construcția și utilizarea lor.
1.3.1 Vehicule hibride
cu propulsie electrică
Vehicule hibride cu propulsie electrică se înscriu, prin scopurile practice, funcționale
și de proiectare, în categoria vehiculelor “pur” electrice și nu în cea a vehiculelor hibride. Aceasta deoarece energia lor de propulsie este în întregime stocată sau generată electric, iar puterea folosită de la sursele electrice principale și auxiliare este gestionată și combinată pentru scopuri pur electrice sau electronice. Î nsă, totuși, vehiculele electrice cu două surse de energie li s-a dat denumirea de hibride. Vehiculele hibride cu propilsie electrică folosesc, pe lângă bateria pr incipală, baterii speciale sau supercondensatoare, ca sursă de energie secundară. Aceste surse de energie 12
secundare sunt proiectate să furnizeze putere mare pentru perioade scurte în condiții de funcționare de vârf – de exemplu, în timpul urcării în pantă sau în timpul accelerării. Acest lucru este necesar deoarece unele baterii cu cea mai bună densitate de energie au densitate de putere scăzută. Un exemplu extrem de acest tip este bateria aluminiu-aer. Această baterie are o densitate foarte mare de energie de 220 [Wh/kg], furnizând vehiculului o rază de acțiune potențială de 300 până la 450 [km], însă o densitate de putere de doar 30 [W/kg]. Deoarece este necesară o densitate de energie de cel puțin 150 [W/kg] pentru o accelerare bună și performanță de urcare în pantă, o sursă auxiliară cu densitate mare de putere este esențială. Această densitate de putere este ușor de obținut de la o baterie pe bază de plumb și de aceea aceasta este o baterie auxiliară foarte potrivită pentru utilizarea cu o baterie aluminiu-aer într un vehicul hibrid complet electric. Altă combinație de vehicul hibrid cu propulsie, care este în dezvoltare și de mare
interes, datorită îmbunătățirilor aduse pilelor de combustie, este vehiculul electric acționat cu pilă de combustie cu baterie auxiliară. Această baterie poate furniza curentul mare necesar pentru pornire și poate de asemenea servi drept ca un dispozitiv de limitare a sarcinii care permite pilei de combustie să funcționeze la putere joasă inițial și apoi să se încălzească pentru o funcționare la randament constant. Acest aranjament sporește eficiența întregului sistem și de asemenea permite vehiculului să folosească frânarea recuperativă. O altă clasă de vehicule electrice hibride, denumite vehicule hibride electromecanice, folosește pe lângă acționarea electrică principală alimentată de la baterii și un dispozitiv mecanic de stocare a energiei cum ar fi un volant, figura 1.4, sau un acumulator hidraulic,
figura 1.5. Energia stocată în volant sau în acumulatorul hidraulic este convertită în energie electrică de un grup motor -generator auxiliar și prin intermediul unui controler central este utilizată în linia de putere dintre bateria electrică principală și motorul electric a vehiculului hibrid.
Figura 1.4 Vehicul hibrid cu volant pentru stocarea energiei
13
Figura 1.5 Vehicul hibrid cu acumulator hidraulic pentru stocarea energiei
Controlerul central funcționează după un algoritm care optimizează fluxul de energie pentru un randament maxim, astfel că în perioadele de deplasare cu viteză constantă energia este preluată numai de la bateria principală iar în perioadele de accelerare sau de urcare a pantelor energia stocată în volant sau în acumulatorul hidraulic este adăugată pentru a menține performanțele. În timpul frânărilor vehiculului, când motorul de acționare principal poate funcționa ca generator, energia recuperată este utilizată atât pentru reîncărcarea bateriei principale de propulsie cât și pentru creșterea vitezei volantului sau reîncărcării acumulatorului hidraulic. 1.3.2 Clasificarea vehiculelor electrice hibride
În majoritatea vehiculelor electrice hibride un sistem de acționare cu motor termic este combinat cu un sistem de acționare cu motor electric. Aceste vehicule situate între vehiculele convenționale cu motor termic și vehiculele “pur” electrice, sunt cele mai bune dintre ambele sisteme.
14
Sunt nenumărate posibilități de combinare a acționărilor cu motoare t ermice și cu motoare electrice. O variantă extremă ar fi utilizarea unei acționări cu motor termic de putere mare, care să fie capabil să asigure deplasarea vehiculului în majoritatea condițiilor de funcționare, cu o acționare auxiliară cu motor electric care să furnizeze numai o putere suplimentară numai în condițiile unor accelerații mari sau a urcării unor pante mari. Un alt caz extrem ar fi utilizarea unei acționări electrice principale combinată cu o acționare auxiliară cu un mic motor termic care să suplimenteze puterea la ieșire și să reîncarce bateria. După cum sunt cuplate cele două tipuri de acționări se deosebesc două configurații fundamentale de vehicule electrice hibride: a) vehicule hibride de tip paralel la care puterea de la ambele motoare, termic și electric, este transmisă roților motoare, ca în figura 1.3.; b) vehicule hibride serie în care motorul termic antrenează unu generator electric, de la care se alimentează motorul electric de acționare a roților motoare ale vehiculului . Într -un vehicul electric hibrid (VEH) sunt posibile combinații complexe ale acționării principale și acționării auxiliare. În tabelul 1.2 sunt prezentate diferite tehnologii practice ale acționărilor principale și auxiliare și cum pot fi combinate într -un vehicul electric hibrid viabil: A coresunde combinațiilor probabile, iar B corespunde combinațiilor posibile, dar puțin probabile.
Tabelul 1.2 Combinațiile tehnologiilor hibride ale acționărilor principale și auxiliare Acționare principală Motor Turbină Motor Baterietermic cu gaz
Stirling
motor electric
Pilă de
Volantmotor electric
Motor termic
-
-
-
A
combustiemotor electric B
Turbină cu
-
-
-
A
B
B
Bateriemotor electric
A
A
A
A
A
A
Volant-motor electric
B
B
B
A
B
-
Supercondensator Acumulator hidraulicmotor electric
B
B
B
A
B
-
B
B
B
A
B
-
A
gaz
Acționare auxiliară
Aceste tehnologii ale acționărilor principale și auxiliare au fost divizate în tehnologii cu răspuns mecanic sau e lectric. Volantul intră în categoria electrică deoarece cu viteza sa 15
mare de rotație, energia cinetică de rotație stocată poate fi utilizată doar printr -un generatormotor electric. Aceasta înseamnă că modul cum furnizează energie în sistem, sau ia energie pentru reîncărcare, este văzut de către sistem ca o intrare sau ieșire electrică. Tabelul 1.2 arată că sunt multe combinații posibile ale acționării principale și auxiliare, unele fiind mai practice decât a ltele. Dacă se consideră doar combinațiile probabile se poate observa că sunt 11 de acest tip. Numărul de opțiuni poate fi crescut mai departe, deoarece cele care au un motor termic ca acționare principală pot funcționa în configurație serie cât și paralel. Acestea adaugă încă trei opțiuni și avem un total de 14. De asemenea, în configurația paralel sunt diferite căi de transmitere a cuplului mecanic a roți. În primul tip de acționare, atât motorul termic cât și motorul electric pot acționa roțile motoare, separat sau simultan, prin intermediul unei cutii de viteze obișnuită și este utilizată cel mai frecvent în vehiculele electrice hibride experimentale curente. Al doilea tip de acționare, în care motorul electric este montat pe același ax cu motoru termic, figura 1.6 devine mai des utilizat, de exemplu la Honda Insight.
Figura 1.6 Linie de acționare cu motor electric și motor termic montate pe aceși ax
A treia variantă presupune utilizarea a două lini i separate de acționare, una mecanică pentru roțile din față și respectiv alta electrică pentru roțile din spate ale vehiculului, figura 1.7. Acestă structură a fost folosită la vehiculele hibride Audi Duo și Daimler Chrysler, Dodge Durango. Totuși această configurație este de un interes mai mult decât academic, deoarece furnizează un cost scăzut și un mod mai flexibil de conectare a celor două acționări prin intermediul căii de rulare, prin contactul dintre roți/cale de rulare, de la ambele capete ale vehiculului. Asemenea variante de acționare au fost utilizate la prototipuri de vehicule hibride realizate de firme ca: Toyota, Renault, etc. Prima opțiune de linie de acționare, care folosește o cutie de viteze obișnuită a fost
realizată în majoritatea structurilor de vehicule hibride existente. Celelalte două tipuri de linie de acționare prezentate, fiecare putând fi folosită cu oricare din cele cinci combinații de clasă A motor termic/baterie-motor electric, prezentate în tabelul 1.2, dau mai departe 10 variante posibile, ajungând la un total de 24 de variante hibride. În pus, acționarea principală cât și cea 16
auxiliară pot varia ca putere relativă într -un interval larg și astfel fiecare prototip de vehicul electric hibrid realizat prezintă caracteristici și tehnologii diferite.
Figura 1.7 Vehicul cu acționare separată pentru puntea față și puntea spate
Capitolul 2
2. ARHITECTURI DE VEHICULE ELECTRICE HIBRIDE 2.1 Considerații privind funcționarea vehiculelor electrice hibride
Majoritatea vehiculelor fabricate în prezent folosesc pentru propulsie motoare cu ardere internă, (MAI). Vehiculele elec trice sunt superioare vehiculelor acționate cu mot oare cu ardere internă deoarece nu utilizează combustibili fosili și 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 mărește drastic spațiul necesar bateriei de acumulatori sau a bateriei de condensatori. Gabaritul dispozitivului de
stocare a energiei electrice va crește atunci când se dorește o autonomie de funcționare mai mare.
Vehiculele convenționale, propulsate cu motoare cu ardere internă, utilizează energia obținută prin arderea combustibililor fosili. Spre deosebire de ele, vehiculele electrice hibride, sunt propulsate, în principiu, cu două tipuri de energie (energie termică respectiv energie electrică). Utilizând mai multe surse de propulsie, randamentul global de funcționare al vehiculelor electrice hibride poate fi mărit tocmai printr -o selectare judicioasă a celei mai eficiente surse de putere corespunzătoare unui anumit regim de funcționare. Vehiculele electrice hibride reprezintă o punte între actualele vehicule propulsate de motoare cu ardere internă și vehiculele viitorului caracterizate de un nivel al emisiilor aproape de zero (EZEV Equivalent-to-Zero-Emission-Vehicle) sau, în anumite situații chiar fără poluare (ZEV – Zero-Emission-Vehicle) așa cum se preconizează a fi vehiculele propulsate electric prin pile de combustie alimentate cu hidrogen.
În prezent o serie de firme constructoare comercializează vehicule electrice hibride în producție de serie: Toyota, Honda, Ford, GM. În ceea ce privește linia propulsoare a unui vehicul electric hibrid, aceasta este mai complexă sub aspectul construcției, funcționării și 17
controlului electronic decât sistemul similar a celui mai evoluat vehicul convențional prevăzut cu motor cu ardere internă. Privind din punctul de vedere al integrării e lementelor componente, vehiculul electric hibrid reprezintă, comparativ cu soluția vehiculului propulsat doar prin motor cu ardere internă un spor de complexitate de aproximativ 25%, în timp ce, din punctul de vedere al sistemului de control, aportul de hardware și programe software este cel puțin dublu. Aceste noi elemente fac ca și prețul unui astfel de vehicul să fie mai ridicat comparativ cu cel al unuia propulsat numai prin motor cu ardere internă. Vehiculele electrice hibride utilizează de regulă următoarele patru moduri de propulsie: 1. Propulsie mecanică pură prin motorul cu ardere internă, MAI , ce folosește combustibil convențional, figura 2.1; energia mecanică rezultată din aprinde rea combustibilului se transmite la roți prin intermediul transmisiei T și diferențialului D. Motorul cu ardere
internă funcționează cvasiconstant în zona de randament maxim (75÷85% din puterea maximă), diferența dintre puterea dezvoltată și cea necesară r egimului curent fiind transformată în energie electrică pentru încărcarea bateriei Bat . Conversia de energii se realizează cu ajutorul unui motor/generator electric M E / G și a unui bloc convertor/invertor de putere C& I ;
Figura 2.1 Modul de propulsie pur mecanică al autovehicululuui hibrid 2.
Propusie electrică pură, figura 2.2, 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 funcționare nu pr oduce nici o poluare asigurând o funcționare în regim ZEV;
18
Figura 2.2 Modul de propulsie pur electrică al autovehiculului hibrid
La fel ca 2 doar că motorul cu ardere internă funcționează în regim de încărcare a bateriei. Datorită randamentului superior al motorului cu ardere internă într -un astfel de regim, modul de funcționare al vehiculului este de tip ULEV; modul de funcționare 3 este caracteristic configurației hibride serie; 4. Propulsie mixtă prin ambele motoar e, mai precis spus motorul cu ardere internă este asistat de motorul electric pentru realizarea puterii dorite și a randamentului maxim; regimul de funcționare 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, depășiri, putere maximă). Pentru a nu modifica funcționarea la parametrii optimi ai MAI surplusul de putere este dat de motorul electric pe baza energiei electrice stocate în baterie, așa cum este realizat în figura 2.3. Din punctul de vedere al emisiilor poluante, regimul rămâne de tip ULEV, practic MAI funcționează ca în cazul 1, cu diferența că bateria se descarcă ca în modu l 2. 3.
Figura 2.3 Modul de propulsie mixt (mecanic asistat electric) cu descărcarea bateriei 5.
Regimul de recuperare a energiei de frânare este specific autovehiculelor electrice și hibride fiind o cale de îmbunătățire a randamentului lor. Frânarea recuperativă urmărește 19
să utilizeze o cantitate cât mai mare din energia cinetică suplimentară a vehiculului ce se dorește frânat și care, în cazul autovehiculelor convenționale se disipă sub formă de căldură în plăcuțele, etrierele și discurile de frână. Într -o mașină electrică reversibilă, comutarea din starea de motor în cea de generator se face prin eliminarea alimentării și aplicarea unui cuplu de rotație, în cazul acesta provenind de la roțile autovehiculului, figura 2.4.
Figura 2.4 Modul de frânare recuperativă Conversia energiei cinetice în energie electrică are ca rezultat generarea unui cuplu invers la axul generatorului, regăsit ca un cuplu de frânare la axul roților. Autovehiculul hibrid este prevăzut și cu un sistem convențional de frânare, de regulă de tip electrohidraulic ce include o serie de sisteme active de control al siguranței și stabilității precum ABS, ASR (controlul tracțiunii), ESP (controlul stabilității în curbe) sau EBD (distribuția electronică a forței de frânare față-spate). Pe par cursul unei frânări sistemul de frânare recuperativă și sistemul clasic de frânare prin acțiunea presiunii hidraulice asupra plăcuțelor de frână pot lucra simultan. Totuși sistemul recuperativ are întâietate în sensul că, la apăsarea pedalei de frână, disp ozitivul de control electronic determină în primul rând cuplul disponibil la axul generatorului provenit din energia cinetică a vehiculului (frână d e motor), respectiv cuplu de frânare dorit de șofer (determinat din unghiul și forța de apăsare a pedalei de frână) și numai dacă acesta din urmă depășește pe primul, sistemul clasic de frânare va fi și el activat. Ca principiu de funcționare, soluția constructivă adoptată pentru propulsia vehiculelor electrice hibride se regăsește în locomotivele diesel electrice de la care a și fost probabil preluată. Într -un vehicul electric hibrid, strategia primară de control constă în selectarea sursei forței de propulsie în funcție de sarcina specifică fiecărui regim de funcționare al vehiculului, astfel încât acesta să ruleze în permanență 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 forțat să lucreze în regimuri de sarcină și turație crescute. Motorul cu ardere internă funcționează cu un randament scăzut în regimuri de turație redusă atât în cazul unor sarcini mari cât și la sarcini reduse sau la mersul în gol, în regimurile tranzitorii de accelerare sau de decelerare precum și în cazul pornirii mai ales la temperaturi scăzute. 20
Avantajele vehiculului electric hibrid comparativ cu unul convențional sunt dictate în principal de avantajele motorului electric asupra celui 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 funcționare. Când cuplul de ieșire al motorului cu ardere internă depășește pe cel necesar al propulsiei, surplusul de putere se utilizează pentru antrenarea unui generator electric care reface starea de încărcare a bateriei (SOC-state of charge). 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) și menținute până ce vehiculul atinge o anumită creștere de viteză necesară solicitării. 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 aceleași caracteristici cuplu-turație la ieșire. Aceasta înseamnă atât o autonomie dublă dar și o reducere a nivelului de poluare prin eliminarea regimurilor tranzitorii sau de funcționare în gol a motorului cu ardere internă. Pornirea clasică prin sta rter, unul dintre regimurile cele mai poluante și neeconomice 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 turație constantă de pornire. Toate aceste avantaje ale utilizării vehiculului electric hibrid comparativ cu unul clasic alimentat cu aceeași energie sunt evidențiate prin bilanțul energetic descris în tabelul 2.1. Valorile date sunt aproximative și specifice unei anum ite arhitecturi de vehicul hibrid. Vehiculele electrice hibride au fost proiectate având ca obiectiv primordial îmbunătățirea economiei de combustibil și reducerea nivelului emisiilor poluante la valori care nu pot fi atinse prin propulsarea cu motor cu ar dere internă, indiferent de soluțiile tehnologice utilizate. Tabelul 2.1 Bilanțuri energetice pentru un vehicul hibrid și un vehicul convențional Vehicul convențional Sursa de energie/ Vehicul electric (motor cu ardere internă) Consumator hibrid 100 -6 0
100 -6 -11
echipamentele auxiliare
-2
-2
Pierderi în motorul cu ardere internă
-30
-65
Recuperare prin
+4
0
frânare sau decelerare Total energie rămasă
66
16
Combustibil
Pierderi în transmisie Pierderi la
funcționare în gol Pierderi în
Dat f iind 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 forțarea funcționării motorului cu ardere internă doar în puncte le de randament maxim și în regimuri stabile de lucru. Celălalt obiectiv, constă în controlul permanent al stării 21
de încărcare și asigurarea încărcării sau descărcării bateriei astfel încât funcționarea ei să se realizeze în permanență cu randament maxim. 2.2 Criterii de clasificare a vehiculelor electrice hibride
Deși există o diversitate de soluții 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 tracțiune, fie după legătura dintre cele două surse de energie de la bord.
După modul de interconectare a celor două sau mai multor motoare în linia propulsoare, vehiculele electrice hibride se clasifică în trei categorii: 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. Vehicul elecreic hibrid paralel (VEHP) în care energia pentr u propulsie este furnizată de două sau mai multe convertoare de energie, una primară (energie rezultată din arderea combustibililor fosili), respectiv una secundară (energie electrică); 3. Vehicul electric hibrid mixt (în configurație serie/paralel) WEHSP care, așa cum sugerează și denumirea, este o combinație a celor două configurații anterioare. După interdependența dintre sursele de energie aflate la bord, vehiculele electrice hibride se pot clasifica în: a) Cele cu autonomie de funcționare extinsă utilizând energia electrică ca sursă primară pentru propulsie (Range-extender), RE ; b) Cele cu propulsia asigurată în principal de arderea combustibililor convenționali și susținută 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 și gabarit . Vehiculele hibride de tip RE funcționează în cea mai mare parte a timpului în mod ZEV . Energia pe bază de combustibil, se folosește pentru a extinde domeniul de autonomie al vehiculului prin refacerea stării de reîncărcare a bateriei, SOC , cu ajutorul unui convertor de energie. Motorul cu ardere internă este de putere redusă, 5 -20 [kW], suficient să propulseze vehiculul într -un trafic lejer la turație redusă, atunci când ba teria este aproape de limita de descărcare până la o rețea electrică de reîncărcare. În configurația RE , motorul cu ardere internă împreună cu generatorul electric formează așa numita sursă auxiliară de putere. Caracteristicile principale sunt specifice configurației hibride de tip serie cu transmisie electrică. Vehicul electric hibrid din categoria PA utilizează combustibilul convențional ca sursă primară de energie utilizată în propulsie. Energia electrică este destinată să preia vârfurile și să niveleze fluctuațiile ce rezultă în timpul propulsiei prin energia obținută din arderea combustibilului din rezervor. De regulă, un vehicul electric hibrid din această categorie este un vehicul convențional propulsat printr -un motor cu ardere internă ce folosește însă o linie propulsoare hibridă tocmai pentru a eficientiza utilizarea și distribuția energiei. Caracteristicile principale sunt specifice configurației hibride de tip paralel.
22
O altă clasificare a vehiculelor electrice hibride privită tot prin prisma schimburilor energetice se referă la posibilitățile de refacere l abord a stării de încărcare a bateriei raportată la o anumită autonomie de funcționare sau la un anumit test de deplasare standardizat. În configurație cu acest criteriu, vehiculele hibride se pot clasifica într -una din următoarele două clase: A. Cu refacerea și menținerea stării de încărcare – CS , (Charge Sustaining). În acest caz un vehicul electric hibrid este astfel proiectat încât să fie capabil să -și mențină starea
de încărcare corespunzătoare, în aproape toate condițiile de funcționare. Strategia CS asigură menținerea stării de încărcare între două limite prestabilite, inferioară și superioară. Pentru a asigura o funcționare eficientă a bateriei și a preveni descărcarea accentuată sau chiar deterioararea bateriei, limita inferioară se alege de regulă nu mai mică de 55% din starea maximă de încărc are, iar limita superioară aproximativ 6070% din valoarea maximă. B. Cu descărcarea continuă a bateriei, CD, (Charge Depletion). În condițiile normale de lucru, nefiind posibilă menținerea 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. R eîncărcarea bateriei se poate face de la rețea, fie regenerativ din decelerări și frânări, fie printr-o sursă auxiliară aflată la bord ( APU - Auxiliary Power Unit). Și pentru acest mod de clasificare trebuie făcută o precizare: există moduri de funcționare de tip CS sau CD, respectiv arhitecturi hibride de tip CS sau CD, dar utilizarea acestor ter meni trebuie facută cu prudență. Se poate astfel afirma că modul de funcționare fără poluare, ZEV , este un mod de descărcare continuă a bateriei. Clasificări ale propulsiilor hibride pot fi făcute și după alte criterii, mai puțin importante printre care se pot aminti cele legate de tipul motorului cu ardere internă utilizat, respectiv după localzarea celor două motoare, motorul cu ardere internă și motorul electric în raport cu transmisia finală. 2.3 Vehicule electrice hibride de tip serie
Vehiculul electric hibrid în configurație serie, VEHS, include ca sursă primară de
propulsie, motorul electric și ca sursă primară de energie, bateria, prin aceasta având multe asemănări cu un vehicul electric. Cea de -a doua sursă de energie poate fi de exemplu un gener ator acționat 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 la bateria de propulsie, cât și de sursa secundară de energie, sau invers, sursa alternativă de energie poate încărca bateria de propulsie independent și/sau concomitent cu generarea forței de propulsie.
Beneficiul configurației serie constă în faptul că motorul cu ardere internă nu este cuplat cu roțile motoare, propulsia rămânând numai în seama motorului electric. Acest lucru permite optimizarea funcționării motorului cu ardere internă numai în regimuri de cuplu și turație optime indiferent de sarcină și fără trecerea prin stări tranzitorii. Autovehiculele 23
hibride serie sunt extrem de indicate pentru un trafic urban sau suburban aglomerat specific
marilor orașe. În figura 2.5 se 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 roților motoare printr -un angrenaj diferențial. Motorul electric este alimentat cu energie electrică de la bateria de propulsie prin intermediul unui convertor de putere având funcționare reversibilă. Astfel, în timpul frânării motorul funcționează ca frână electrică, iar energia provenită din frânare este convertită în energie electrică și utilizată pentru încărcarea bateriei. Deoarece motorul electric este de obicei de curent alternativ, AC, iar încărcarea bateriei se face în curent continuu, DC, convertorul de putere poate funcționa atât ca invertor cât și ca redresor. Funcționare sa este comandată de către o unitate electronică de control, UEC pilotată de microprocesor în raport cu semnalele primite de la senzorii de turație ai motorului electric și de unghi al clapetei de accelerație. În acest fel se asigură o adaptare a cuplului de ieșire al motorului electric cu regimul de funcționare cerut de conducătorul vehiculului. Vehiculul electric hibrid serie oferă, comparativ cu celelalte variante, o mai mare autonomie privind algerea, plasarea și strategia de control a sursei auxiliare de energie. În locul motoarelor termice pot fi utilizate turbine, motoare rotatice Stirling, sau pile de combustie.
Figura 2.5 Vehicul electric hibrid în configurație serie Dezavantajele vehiculelor electrice hibride serie provin din pierderile de randament
survenite în conversiile succesive de energie: energie mecanică în energie electrică și apoi energie electrică în energie mecanică de propulsie. Pierderi suplimentare rezultă din stocarea energiei în bateriile de acumulatori în intenția unei viitoare utilizări. De asemenea, performanțee dinamice ale vehiculului hibrid serie sunt limitate datorită imposibilității de suplimentare sau de asistare a sursei electrice de tracțiune în propulsia vehiculului. Pe baza analizei performanțelor diferitelor prototipuri realizate de vehicule electrice hibride de tip serie s-a dovedit ca aceste vehicule sunt mai scum pe și mai puțin eficiente decât vehiculele electrice hibride de tip paralel [1].
24
2.4 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. Așa cum se observă în figura 2.6 motorul cu ardere internă MAI este conectat la roțile motoare la fel ca la un vehicul convențional cu diferența că, tot la axul roților motoare acționează și motorul electric.
Figura 2.6 Vehicul electric hibrid în configurație de tip paralel
Mașina electrică are o funcționare reversibilă, atât ca motor cât și ca generator. Există configurații funcționale care, pe lângă motorul electric, utilizează și un generator G cuplat în permanență la motorul cu ardere internă MAI sau, mai general, două mașini electrice ce pot funcționa independent atât ca motor cât și ca generator. Cele mai utilizate pentru acest scop sunt motoarele sincrone fără perii și motoarele cu reluctanță variabilă. În configurația de tip paralel, motorul cu ardere internă MAI este cel care asigură în mare parte forța de propulsie, în timp ce mașina electrică, ME/G suplimentează cuplul necesar în regimurile de variație bruscă sau decelerări. Comparator cu un vehicul convențional, vehiculul electricc hibrid de tip paralel (VEHP) asigură o reducere atât a nivelului emisiilor poluante cât și a consumului, tocmai prin această suplimentare de putere externă asigurată de mașina electrică ME/G în regimurile tranzitorii de funcționare a motorului cu ardere internă MAI . Bateria este necesară atât pornirii motorului cu ardere internă MAI cât și alimentării cu energie electrică a mașinii electrice ME/G la funcționarea ca motor. Atunci când mașina electrică ME/G funcționează în regim de generator, bateria va stoca energia electrică produsă în funcție de indicația blocului de supraveghere a stării de încărcare. Ca urmare, vehiculul electric hibrid de tip paralel reprezintă un vehicul cu motor cu ardere internă ce conține, în plus, o mașină electrică reversibilă și o baterie de stocare a energiei electrice. Dat fiind faptul că motorul electric asistă doar motorul cu ardere internă MAI și numai în anumite regimuri de lucru, fără a deveni forța principală propulsoare, bateria de stocare are un volum relativ redus comparativ cu celelalte variante constructive de vehicule hibride.
Pentru a funcționa cu eficiență maximă din punct de vedere al consumului și al reducerii emisiilor poluante, motorul cu ardere internă are regimul de lucru fixat în apropierea punctului de sarcină maximă, iar turația sa trebuie menținută cât mai constantă. 25
Într -un vehicul hibrid în configurație tip paralel există în principiu, două strategii de funcționare a motorului electric ME : ca furnizor de forță de propulsie în momentele de solicitare maximă a motorului cu ardere internă MAI , respective ca “stabilizator” al sarcinii motorului MAI .
Prima modalitate de asistare a motorului cu ardere internă se referă la situațiile în care posibilitățile 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 și nivelului de emisii ale motorului cu ardere internă MAI , crescute de regulă pentru aceste regimuri. Vehiculul electric hibrid funcționează în regim de consumator de energie electrică numai în situațiile în care bateria este într -o stare de încărcare în cărcare adecvată. În acest caz avem de-a face cu un vehicul electric hibrid de tip paralel în confugurație CS (cu susținere a stării de încărcare a bateriei). Strategia de stabilizare a sarcinii impune funcționarea motorului cu ardere internă MAI în regimuri stabile cu randament ridicat și 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 funcționează numai în regimuri stabile cu randament maxim. Astfel, în regimurile de sarcină redusă, motorul cu ardere internă este decuplat de l a transmisie și oprit sau, este folosit doar pentru regenerarea stării bateriei. Din punctul de vedere al structurii părții electrice a lanțului propulsor, la arhitectura paralelă se deosebesc două tipri de sisteme electrice hibride utilizate cu precădere de producătorii de autovehicule: autovehicule: semi și integral hibride. Ambele Ambele combină propulsia mecanică mecanică pe bază de combustibili ce cea electrică pentru obținerea unor reduceri de de consum și emisii poluante. Sistemele integral hibride IH (IH ) pot să beneficieze indepen dent de propulsie strict mecanică sau strict electrică, ori de ambele simultan, iar procesul 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 susținere î n propulsie, dar nu permit o propulsie strict electrică.
Figura 2.7.b Starter/Alternator integrat si distributie electromagnetic
Figura 2.7.a Starter/Alternator integrat pe motor Honda
Trebuie făcută precizarea că motoarele a ardere internă prevăzute cu dispozitive de integrare de tip starter/alternator (vezi figura 2.7. a și b) specifice noii arhitecturi a sistemelor 26
electrice de 42 [V] nu sunt considerate vehicule hibride. Ele a o capacitate de propulsie limitată, fiind utilizate doar la pornirea ve hiculului cu energie de tip electric, iar capacitatea de
recuperare în regimurile de frânare este redusă datorită mărimii generatorului și mai ales a bateriei electrice.
O altă clasificare a arhitecturii hibride paralele are în vedere dispunerea elementelo r lanțului propulsor, MAI , ME/G, Transmisie, respectiv numărul de axe motoare, generatoare de forță propulsoare existente în lanțul de propulsie. Se deosebesc astfel configurații cu axă comună (figura 2.8), cu două sau cu trei axe. În configurația din figura 2.8. a mașina electrică reversibilă ME/G poate fi cuplată direct la roți sau între transmisie și roți. Dacă rotorul se plasează direct pe ar borele secundar al transmisiei, în timpul frânării sau a regimuluide frână de motor, MAI este antrenat de generator, al cărui randament de producere a energiei electrice scade datorită frecărilor inerțiale între piesele aflate în mișcare de rotație, cu atât mai importante cu cât turația arborelui cotit este mare. Deoarece raportul invers al transmisiei 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.
Figura 2.8 Configurații paralele de tip SH cu o singură axă și transmisie automată În configurația din figura 2.8. b mașina electrică reversibilă este intercalată între MAI și 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 și selectează o treaptă de viteză care să optimizeze funcționarea regimul generatorului G. În acest caz MAI nu constituie o sarcină la arborele rotorului astfel încât va fi selectată o treaptă care să optimizeze randamentul de funcționare al mașinii electrice.
27
Funcționarea vehiculului electric hibrid de tip paralel Cea mai compactă soluție de interconectare a motoarelor electrice cu MAI în cadrul unei configurații hibride de tip paralel rezultă în cazul coliniarității lor axiale. Piesa centrală a sistemului de propulsie hibrid ce asigură acest deziderat o constituie mecanismul de transmisie planetar. Caracteristica sa principală co nstă în posibilitatea determinăr iiii parametrilor de stare a tuturor celor trei axe plecând de la valorile cunoscute ale turțiilor a două axe și 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 planetar este capabil să multiplice turațiile, dar nu și cuplurile. Prin urmare, marele avantaj al utilizării unui si al unui motor cu ardere angrenaj planetar pentru a însuma cuplurile motorului electric ME si internă MAI la arborele de ieșire coaxial este utilizabil numai în cazul blocării sale.
2.5 Vehicule electrice hibride în configurare mixtă (dual mod) Transmisiile hibride mixte combină aspectele pozitive atât ale transmisiei serie cât și ale celei paralele evitând supradimensionarea și costurile configurației serie. Motorul electric poate antrena roțile singur sau împreună cu motorul termic pentru a asigura eficiență maximă. În plus sistemul poate fi utilizat pentru antrenarea roților și în același timp să producă electricitate folosind mașina electrică în regim de generator. Funcțion area sistemului se face cu emisii poluante foarte scăzute. Aceste sisteme permit obținerea unor performanțe ridicate, maniabilitate și gestionare optimă a energiei disponibile dar complexitatea și tensiunea mare a bateriilor necesită mașini electrice cu performanțe ridicate iar costurile le fac, deocamdată, incompatibile cu producția de masă. La transmisiile hibride mixte (Split-Hybrid) este posibil ca numai o parte din puterea
mecanică să fie transmisă direct la roți, cealaltă parte fiind transmisa prin sistemul electric. În acest fel există posibilitatea ca randamentul total al sistemului de propulsie să fie ridicat chiar și la vitezele reduse de deplasare d eplasare ale automobilului.
Figura 2.9 Exemple de sisteme hibride duale (mixte) Figura 2.9 prezintă două exemple de sisteme hibride duale (mixte) – primul fiind al binecunoscutei Toyota Prius (sistemul THS, actualmente HSD). Efectul esențial al combină rii puterilor motoarelor prin mecanismul planetar MP (aici cu rol de mecanism sumator de 28
putere, de tip adiție de viteză) este dat de caracterul funcționării în regim predominant serie în domeniul vitezelor și sarcinilor mici, respectiv predominant paralel în domeniul sarcinilor mari și la mers pe autostradă . Mai mult, sistemul este continuu, fără șocuri ș i are o serie de avantaje și de ordin constructiv – transmisia în trepte dispărând, fiind înlocuită de unicul mecanism planetar. Totuși, complicaț iile legate de control compensează din plin simplitatea mecanică (lipsa unui control riguros al tuturor celor trei motoare – MT, ME1, ME2 – ducând la fluxuri parazite de putere și în final la malfuncția întregului sistem). Sistemul a cunoscut un real succes cu Toyota Prius, ș i acum este și la baza Ford-ului Escape Hybrid. Curios, acesta din urmă r ealizează un consum de combustibil mai mic în oraș – datorită frânării regenerative și a funcționării î n regim preponderent de hibrid serie – decât pe autostradă. Trebuie subliniat că motorul electric de tracțiune (notat aici ME1) are cca. 50 kW, fiind apropiat de puterea celui termic – acesta funcționând după ciclul Miller – Atkinson. Dacă sistemele HEV paralel decuplau cinematic motorul termic la frânare, în cazul sistemelor duale din familia Prius acest lucru nu se întamplă – pur și simplu MT este oprit, iar ME2 (deseori denumit „generatorul”) este antrenat de roțile vehiculului, generând putere electrică către baterii. Mai mult, ME1 face acelasi lucru, astfel că sistemul este foarte eficient. Figura 2.9, (b) prezintă schema unui prototip realizat la Universitatea Valencienne, Franța, prototip având particularitatea lipsei dispozitivului planetar sumator de putere. În locul acestuia, adiționarea vitezelor unghiulare (fenomen intrinsec arhitecturilor mixte) se face prin controlul turațiilor relative dintre rotorul și statorul motorului ME. Dezavantajul este că mașina electrică trebuie să transmită întotdeauna cuplul motorului termic, fapt ce presupune fie adoptarea unui motor electric foarte mare, nepractic, fie limitarea la domeniul vehiculelor mici și foarte mici. 2.5.1 Toyota Prius Hybrid Synergy Drive®
Noul sistem hibrid, care a echipat pentru prima dată modelul Toyota Prius, este primul care va fi în concordanță cu un concept revoluționar numit Synergy Drive®. Sistemele din generația actuală se bazează pe un motor pe benzină, utilizat pentru a obține performante de vârf, si pe un motor electric auxiliar. Sistemul Hibrid Synergy Drive® oferă motorului electric un rol mai important, sporindu-i performantele.
Noul model Prius, prevăzut cu tehnologia "Sistem Hibrid Synergy Drive®", are performante de vârf, consum scăzut de combustibil și conduce detașat la cap itolul autovehicule nepoluante.
29
Noul Toyota Prius este o idee mareață. Este o mașină în care puterea hibridă se îmbină cu precizia, inovația cu viziunea și performanț a cu responsabilitatea. Recunoscută pentru tehnologia de ultimă oră, puterea și performanț ele sale, Prius a obtinut - printre altele -
titlul de "Mașina Anului în Europa" în 2005. Fiecare detaliu al modelului Prius este proiectat având în vedere calitățile aerodinamice, calitatea și confortul. Conturul său elegant caracterizează o mașină ce anticipează și satisface toate necesitățile ș oferului. Designul aerodinamic permite obț inerea unui coefiecient aerodinamic de numai 0.26, făcând -o atât placută ochiului, cât și eficientă pe șosea. Designul compact, individual este asezat pe un șasiu cu ampatament mă rit, ce permite obtinerea unui spaț iu maxim pentru bagaje în interior, în același timp păstrând dimensiu nile compacte ale exteriorului. 2.5.1.1 Ce este Toyota Hybrid Synergy D rive®? Un motor pe benzină, mai puternic, de 1.5-litri funcționează alătur i de un motor electric mai mic și mai eficient, pentru a obține performanțe care fac din modelul Prius un adversar serios la Segmentul D. Într-adevăr, motorul electric este mai puternic decât cele mai multe m otoare cu combustie internă de 1.0 până la 1.2-litri. La 400 Nm de la 0-1200 rpm, cuplul modelului Prius
este mai mare decât al motorului V6 diesel. Ca rezultat, poate obține o accelerare de la 0 la 100 km/h sub 11 secunde, cu 3 secunde mai puțin decât modelul actual ș i comparabil cu un autovehicul cu motor convențional diesel de 2.0-litri. Deoarece sistemul avansat de control hibrid folosește motorul electric ca sursă principală de putere, acesta asigură o ținuta de drum excepțională. Accelerarea este mar e, dar liniară, mai ales de la 50 la 80 km/h, în timp ce zgomotele și vibrațiile sunt minime. Hybrid Synergy Drive® oferă performanță cu un impact minim asupra mediului înconjurător: - Accelerare 0-100 km/h in 10,9 sec, la un consum combinat de 4.3 l/100km; - Motorul electric este cel mai puternic din lume, rapor tat la greutatea și mărimea lui; - Motorul pe benzină folosind ciclul Atkinson este cel mai eficient sistem pe benzină aflat în producție; - Sistemul inteligent de frânare economisește combustibil, folosind energia cinetică a autovehiculului.
2.5.1.2 Transmisia hibridă de la Toyota O realizare exceptională în acest domeniu o constituie transmisia hibridă Toyota (Toyota Hybrid System – THS) lansată în 1997 pe modelul „PRIUS”, a carei schemă este prezentată în figura 2.10. Trei deziderate au fost avute în vedere la realizarea acestui sistem de propulsie:
1) utilizarea unui motor cu ardere internă cu randament ridicat; 2) utilizarea unui sistem de control avansat care să asigure funcționarea permanentă a sistemului la regimul optim;
3) reducerea pierderilor de energie și regenerarea acesteia.
30
Figura 2.10 Schema și fluxul puterii în transmisia hibridă Toyota Prius THS (Toyota Hybrid System) este constituită dintr -un mecanism planetar simplu, un
generator electric montat pe arborele solarei și un motor electric montat pe același arbore cu coroană. Arborele coroanei și al motorului electric transmite miscarea la roțile automobilului printr-o transmisie cu lanț și transmisia principală. Motorul cu ardere internă transmite mișcarea direct platoului portsateliți. Acesta, platoul portsateliți, împarte cuplul de la motor în două: o parte este transmis prin coroana mecanismului planetar direct la puntea mot oare, iar cealaltă parte prin solara mecanismului planetar la generatorul electric. Energia electrică produsă în generator este reconvertită în energie mecanică de către motorul electric și, acesta fiind pe același arbore cu coroana, transmisa punții motoa re. Motorul și generatorul electric sunt mașini electrice reversibile de curent alternativ sincrone cu magneți permanenți. Motorul electric ajută motorul termic în fazele de demarare asigurând accelerarea lină și puternică a automobilului. Suplimentar, în fazele de decelerare, motorul electric functionează ca generator electric asigurând transformarea energiei cinetice a automobilului în energie electrică, aceasta fiind stocată în baterii.
31
Figura 2.11 Schema sistemului hibrid dual (mixt)
Generatorul electric produce energie electrică pentru acț ionarea motorului electric sau pentru încărcarea bateriilor. Prin reglarea turației generatorului se controlează atât cantitatea de enegie electrică produsă câ t și raportul de divizare a puterii î n mecanismul planetar. Generatorul servește, totodată , ca demaror pentru pornirea motorului termic. În structura transmisiei se află și un dispozitiv (Inverter) care transformă curentul alternativ de la generator sau de la motorul electric, atunci când funcționează ca generator î n fazele de regenerare, î n curent continuu, pentru a stoca energia electrică în baterii ș i invers, pentru a alimenta motorul electric î n tracțiune sau generatorul când funcționează ca demaror. Motorul cu ardere internă folosit este un motor cu apridere prin scânteie de 1,5 l, cu raport de destindere mărit (13,5), raport de comprimare variabil (4,8 – 9,3) și distribuție variabilă inteligentă (VVT-i). Schema sistemului regenerativ de frânare este prezentată î n figura 2.13. Atunci când automobilul încetinește, fie prin frâna de motor, fie prin acționarea sistemului de frânare, motorul electr ic lucrează ca generator electric și transformă energia cinetica în energie electrică pe care o stochează î n baterii. Acest sistem regenerativ de frânare este util în cazul frânărilor și accelerărilor repetate, caracteristic deplasărilor î n zonele aglomerate și urbane. Atunci când șoferul acționează pedala de fr ână atât sistemul de frânare cât ș i sistemul regenerativ de frânare sunt astfel comandate încât să se asigure regenerarea maximă a energiei, figura 2.14. Funcționarea motorului termic, a generatorului și a motorului electric este schematizată în figura 2.12.
32
Generator [rot/min]
Motor electric [rot/min]
Motor termic rot/min
D
Cre șter ea tur
B
C
ație A
Platou portsateliți
Solara
Coroana
Figura 2.12 Regimurile de funcționare a motorului termic și ale mașinilor electrice
Liniile verticale reprezintă turațiile celor trei arbori ai mecanismului planetar (turația platoului port-sateliți = turația arborelui cotit, turația solarei = turația generatorului, turația coroanei = turația motorului electric). Când automobilul este oprit turațiile celor trei arbori sunt zero (A). Generatorul acționează ca un demaror pentru pornirea motorului termic. După pornirea motorului termic generatorul începe să producă energie electrică și astfel poate fi acționat motorul electric și automobilul poate demara (B). În condiț ii normale de funcționare motorul termic poate furniza putere suficientă pentru a nu fi nevoie să se genereze ș i energie electrică (C). În cazul în care este nevoie de o sporire r apidă a vitezei, la o anumită viteză de deplasare, concomitent cu accelerarea motorul termic se mărește și turația generatorului, producându-se mai multă electricitate, astfel încât motorul electric poate să furnizeze putere suplimentară la puntea motoare (D). Caracteristica de tracț iune a sistemului THS este prezentată în figura 2.13.
33
For ța de tra
cți une
Fo
1
Automobilul 2
convențional 3 4 5
Rezistența drumului
rța de tra
Viteza
Accelerare la plină sarcină
cți
Energia la baterie
un e
Motor termic și motor electric
E-motor
Accelerare moderată
Rezistența drumului
Viteza maximă de croazieră
Viteza
Figura 2.13 Caracteristica de tracțiune a automobilului Toyota Prius Sistemul THS funcționează î n urmatoarele moduri: 1. Pornirea motorului termic și deplasarea cu viteze reduse Alimentarea cu combustibil a motorului termic este întreruptă iar propulsia este asigurată de motorul electric alimentat de la baterii (A). Automobilul este „zero” poluant; 2. Regimul normal Puterea de la motorul termic se ramifică în mecanismul planetar, o parte merge direct la puntea motoar e prin coroana (B), iar cealaltă parte antrenează generatorul electric. Energia electrică produsă de generator este utilizată pentru actionarea motorului electric suplimentând astfel cuplul la puntea motoare (C). Ramificarea puterii se face astfel încât randamentul de funcționare să fie maxim; 3. Regimul de plină sarcină La acest regim, în plus față de regimul normal, motorul electric primește suplimentar energie și de la baterii mă rind puterea la puntea motoare (A). 4. Decelerare/frânare În timpul frânării automobilului roțile antrenează motorul electric, iar acesta functionând ca generator produce energie electrică ce va fi stocată î n baterii (A); 5. Încărcarea bateriilor 34
Bateriile sunt reglate să păstreze o anumită cantitate de energie. Câ nd energia stocată în baterii este scăzută acestea vor fi încărcate prin acț ionarea generatorului electric de către motorul termic (D); 6. La oprirea automobilului motorul termic este oprit automat Consumul de com bustibil al acestui automobil, în ciclul japonez de testare, este de 3,57 l/100 km.
Foto: Mecanism planetar cu roți dințate (PSD) – Toyota Prius CVT Sursa: Wikimedia Commons
Figura 2.14 Fluxurile de putere la pornire
Figura 2.15 Fluxurile de putere ale THS la demarare
35
Figura 2.16 Fluxurile energetice
Figura 2.17 Fluxurile la
la mers în croazieră
frânarea regenerativă
Toyota a lansat în anul 2001 și varianta THS -M (Toyota Hybrid System – Mild) care ar putea fi aplicată pe numeroase modele japoneze de automobile. Ea a fost lansată pe un model echipat cu un motor pe benzină de 3 l, cu șase cilindri și transmisie automată. Soluția constă în trei componente principale: un starter/generator sincron tri -fazic, puternic și compact, conectat cu motorul printr-un lanț de transmisie; o baterie separată, compactă, de 36 V pentru stocarea energiei și pentru a asigura creș terea puterii la demarare; o unitate de control. La oprirea automobilului, sistemul de control oprește automat motorul termic. Ca și în cazul altor sisteme automate op rire/pornire (stop&go), sistemul integrat starter/alternator de 42 V asigură atât pornirea motorului termic cât și demararea automobilului la plecarea de pe loc. În timpul frânării sau al coborârii unor pante lungi mașina electrică acționează ca generator încărcând bateria, recuperând astfel o parte din energia cinetică a automobilului. Economia de combustibil înregistrată este de 15 %, comparativ cu automobilul conventional, iar emisiile sunt la jumatate față de normele japoneze ale anului 2000.
La viteză mică:
Până la o anumită viteză (mică) puterea este furnizată de către motorul electric alimentat de la baterii 36
Accelerare puternică:
Puterea este furnizată în mod hibrid din ambele surse, adică se folosește atât motorul electric alimentat din baterii și generator cât și cel pe combustibil
Pe autostradă:
În condiții de performanță maximă sursa de putere va fi exclusiv furnizată de către motorul pe combustibil
Frâna sau decelerarea (micșorarea vitezei, coborâre, etc.) :
În timpul frânării sau decelerarii energia de mișcare se recuperază, motorul electric funcționând în regim de dinam, încărcând bateriile 37
La stop (fără mișcare):
Motorul pe combustibil este oprit în mod automat pentru economie, iar motorul electric este în “standby” urmând a fi pus în funcționare foarte rapid când se accelerează
2.5.1.3 Soluții propuse pentru optimizarea constructivă a transmisiei hibride Figura 2.18 prezintă, succint, soluții constructive propuse spre finanțare. Trei din cele patru variante sunt organizate în arhitectura „paralel, adiție de cuplu” – în sistem fie simplu arbore, fie dublu arbore –, în timp ce a patra soluție este una ce s -ar putea încadra în categoria „adiție de viteză” (hibrid mixt sau dual) – figura 2.18, (d). Aceasta din urmă soluție tehnică este, în fapt, o transmisie „polimorfică”, deoarece se poate constitui într -un hibrid serie, paralel și dual (mixt). Această transmisie combină avantajele sistemelor hibride paralele cu cele mixte, încercand, pe cât posibil, să elimine dezavantajele acestora.
Figura 2.18 Arhitecturi de sisteme de propulsie hibrid – electrice propuse
38
2.6 Vehicule hidraulic-hibride
Vehiculele hibride folosesc două surse de putere pentru sistemul de propulsie. Într -un vehicul hibrid-hidraulic (HHV) un motor cu ardere internă și un motor hidraulic sunt folosite pentru a transmite puterea la roți. Există două tipuri de sisteme hibrid -hidraulice: paralel și serie. În sistemul hibrid hidraulic paralel atât motorul și sistemul de transmisie hidraulic sunt cuplate mecanic la roți. Pompa hidraulică cu motorul este apoi legată la arborele cardanic sau diferențial. Sistemul hibrid-hidraulic în serie se bazează în întregime pe presiunea hidraulică pentru antrenarea roților, ceea ce înseamnă ca motorul nu furnizează direct energie mecanică roților. Într -o configurație hibrid-hidraulică în serie motorul se atașează la o pompă/motor hidraulic pentru a asigura presiune suplimentară la pompa de tracțiune/motor atunci când este necesar.
Fig. 2.19 Sistem hidraulic de propulsie Sistemele hidraulice aplicate la autovehicule au arătat ca este o soluție destul de fiabilă. Economia de combustibil obținută este de 70% și reducerea de CO 2 de 40%. Iar
tehnologia unică de recuperare a energiei în timpul frânării reduce uzura frânelor cu 75% reducând costurile de mentenanță. Avantajele autovehiculelor hibrid-hidraulice: la autovehiculele hibrid-hidraulice crește semnificativ economia de combustibil și se reduc emisiile de noxe la un cost suplimentar foarte redus. Tehnologia hidraulică este deasemenea incredibil de puternică și eficientă pentru operațiuni care necesită cantități uriașe de energie. 2.6.1 Tehnologia Hybrid Air de la PSA-Bosch
Începînd cu ediția 2013 a concursului „Motorul internațional al anului” a fost introdusă o nouă categorie, „Cea mai bună tehnologie auto”. Câștigătorul aceste categorii a fost grupul moto-propulsor hibrid hidraulic-aer de la Bosch care echipeaza automobilele PSA cu tehnologie Hybrid Air.
39
Fig. 2.20 Citroen C3 cu tehnologie Hybrid Air Sursa: PSA Noul grup moto- propulsor hibrid hidraulic dezvotat de Bosch în parteneriat cu PSA are rolul de a scădea semnificativ consumul de combustibil și emisiile de CO2 ale
automobilelor. Acestă tehnologie se poate utiliza cu succes atât pe autotursime cât și pe automobilele de transport marfă ușoare destinate traficului urban.
Fig. 2.21 Citroen C3 cu tehnologie Hybrid Air Sursa: PSA Pe plan modial sunt impuse standarde din ce în ce mai ambițioase, cu scopul de a
reduce emisiile poluante ale automobilelor (NOx și particule) cât și cele cu efect de seră (CO2). Ținta pentru 2012 este de 95g CO2 / km în Europa și 120 g CO2 / km în China. Aceste ținte vor putea fi atinse doar cu ajutorul automobilelor hibride, pe o piață dominată de automobile cu motoare cu ardere internă. Se estimează că până în 2020 piața europeană va avea cca. 15% automobile cu propulsie hibridă, majoritatea de origine asiatică.
40
Fig. 2.22 Standardele de emisii de CO2 în Europa, SUA și China Sursa: PSA CAFE - Corporate Average Fuel Economy Noua tehnologie Hybrid Air este un grup moto-pr opulsor hibrid care combină un motor termic pe benzină și un sistem hidraulic-aer pentru stocarea energiei. Comparativ cu automobilele hibride clasice (termic-electric), în locul bateriei, este utilizat un acumulator
hidraulic cu aer comprimat. Acestă soluție are avantajul unui preț de fabricație scăzut, raportul cost-emisii CO2 fiind mult mai mic în comparație cu sistemele hibride electrice.
Fig. 2.23 Prețul tehnologiilor hibride în funcție de emisiile de CO2 Sursa: PSA Automobilele cu tehnologie Hybrid Air combină un motor termic cu ardere internă, o
unitate de stocare a energiei pe bază de aer comprimat, un motor hidraulic, o pompă 41
hidraulică și o transmisie automată. Un sistem de control electronic inteligent adaptează modul de funcționare la stilul de conducere al conducătorului auto, optimizînd în același timp randamentul energetic.
Fig. 2.24 Componentele sistemului Hybrid Air Sursa: PSA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
motor termic (benzină) transmisia automată pompă hidraulică motor hidraulic acumulator de energie (hidraulic-aer) rezervor combustibil
rezervor hidraulic (presiune joasă)
Sistemul Hybrid Air combină două surse de energie (motor termic și aerul comprimat) pentru a obține randamentul optim în funcție de condițiile de rulare. Componentele hidraulice (motorul și pompa) recuperează și stochează energia generată de: o
motorul termic, la punctul de funcționare de randament maxim;
o
frânarea și decelerarea automobilului (recuperare cinetică) Cu ajutorul unei transmisii automate (cu mecanism epicicloidal) puterea motoare este
trasmisă la roți în funcție de modul de operare: termic, aer, hibrid sau regenerare.
Fig. 2.25 Schema cinematică a sistemului Hybrid Air Sursa: Bosch 42
1 – motor termic 2 – transmisie automată 3 – pompă hidraulică 4 – motor hidraulic 5 – acumulator de presiune 6a – ulei 6b – gaz (aer) 7 – rezervor ulei 8 – legătură mecanică 9 – roată motoare
conține două volume separate, unul cu ulei și celălalt cu gaz. Când acumulatorul este încărcat, volumul de ulei crește iar cel de gaz se comprimă, similar cu un arc elicoidal. Când acumulatorul este încărcat la maxim presiunea gazului atinge 300 bari. Cantitatea de energie ce poate fi stocată depinde de dimensiunea acumulatorului. În mod AER, energia acumulată prin comprimarea gazului poate fi utilizată pentru propulsarea automobilului. Gazul se destinde iar uleiul va fi împins din acumulator în Acumulatorul de presiune
motorul hidraulic care va propulsa automobilul, prin intermediul transmisie.
Capacitatea acumulatorului de stocare a energiei este mai mică decât cea a bateriilor Li-ion utilizate de automobilele hibride electrice. Avantajul constă în încărcarea foarte rapidă (10 s) și utilizarea mai eficientă a energiei produsă de motorul termic. Transmisia este
epicicloidală cu control electronic (EGC - Electronically Gearbox Control) și face managementul celor două surse de putere (motor termic și motor hidraulic). Acesta înlocuiește cutia de viteze manuală de pe un automobil convențional și este capabilă de schimbări automate de trepte. Motorul termic 1.2 VTi, de ultimă generație, pe benzină, în 3 cilindri beneficiază de ultimile tehnologii. Față de versiunea precedentă, masa motorului a fost redusă cu 21 kg iar frecările au fost reduse cu 30%. Fusta pistoanelor este acoperită cu grafit (DLC) pentru reducerea frecărilor. Acesta beneficiază de asemenea de management al sistemului de răcire care permite atingerea temperaturii optime de funcționare într -un timp cât mai scurt. Modurile de operare
TERMIC
Fig. 2.26 Hybrid Air – mod termic Sursa: PSA 43
Acest mod este utilizat la conducerea în mediu extra-urban, cu viteze medii și mari. În acest mod toată puterea roților motoare este generată de către motorul termic pe benzină. Motorul ter mic este ținut la turații joase pentru optimizarea consumului de combustibil, raportul de transmitere al cutiei de viteze fiind adaptat în funcție de viteza de deplasare. Comparativ cu un automobil din aceeași clasă cu motor termic, tehnologia Hybrid Air în mod TERMIC, are următoarele avantaje: o o o
propulsie continuă, fără șocuri scăderea consumului de combustibil cu aproximativ 5% nivel de zgomot mai redus
AER
Fig. 2.27 Hybrid Air – mod aer Sursa: PSA
Acest mod este utilizat preponderent în mediul urban. Viteza maximă până la care este activ este de 70 km/h. Energia pentru propulsie este furnizată de acumulatorul hidraulic aer care se descarcă. În acest mod motorul termic este oprit . Statistic, în traficul urban, modul AER este activ 80% din timpul de utilizare al automobilului.
Comparativ cu un automobil din aceeași clasă cu motor termic, tehnologia Hybrid Air în mod AER, are următoarele avantaje: o
reducere drastică a consumului de combustibil
o
nivel de zgomot foarte redus (motor termic oprit)
44
HIBRID
Fig. 2.28 Hybrid Air – mod mod hibrid Sursa: PSA
În modul hibrid, pentru propulsie, sunt utilizate două surse de energie: motorul termic și acumulatorul hidraulic-aer. Sistemul electronic inteligent de control selectează automat modul de funcționare a celor două surse, în funcție de cererea de cuplu a conducătorului auto și pentru a permite reîncărcarea acumulatorului la deplasarea cu viteze mici a automobilului.
În acest mod sunt îndeplinite atât condițiile de performanță dinamică cât și cele de maniabilitate. REGENERARE
Fig. 2.29 Hybrid Air – mod mod regenerare Sursa: PSA
În modul regenerare sistemul de stocare cu energie (acumulatorul hidraulic -aer) se încarcă. Acest mod este activ în timpul decelerării sau frânării automobilului. De asemenea, acest mod devine activ indiferent dacă propulsia este termică, pe aer sau hibridă.
45
Tehnologia Hybrid Air oferă multiple avantaje clienților: o
o
accesibilitate: acestă tehnologie este disponibilă la un
preț scăzut și se poate aplica atât autoturismelor cât și vehiculelor comerciale ușoare. Va echipa atât automobilele din clasa B (motor pe benzină de 82 CP) și din clasa C (motor pe benzină 110 CP). consum scăzut de combustibil și emisii : în mediul urban reducerea consumului de combustibil poate ajunge la 45%, care se traduce în creșterea autonomiei cu până la 90%, comparativ cu un automobil cu motor termic de aceeași putere. Consumul de combustibil standard, în ciclu mixt este de 2.9 litri/100 km, cu emisii de 69 g CO2/100 km, pentru Citroen C3 sau Peugeot 208. Comparativ, un automobil cu motor termic pe
benzină, în trei cilindri și și cutie de viteze manuală are emisii emisii de 103 g CO2 / 100 100 km. Pe ciclu de omologare NEDC consumul de combustibil este redus cu 30% comparativ cu o
o
o
același automobil propulsat de un motor termic t ermic echivalent. spațiu interior: dispunerea sistemului Hybrid Air permite obținerea unui spațiu interior similar cu cel al unui automobil cu propulsie clasică (motor termic) confort și maniabilitate: funcționarea în mod combinat (termic-aer) permite obținerea de reprize de accelerație puternice. De asemenea, transmisia cu variație continuă nu întrerupe cuplul motor ceea ce se traduce în confort sporit în timpul rulării disponibilitatea internațională: tehnologia Hybrid Air poate fi utilizată utili zată oriunde, indiferent de condițiile climaterice. Sistemul fiind relativ simplu permite, de asemenea, mentenață și întreținere ușoară.
Tehnologia Hybrid Air va echipa automobilele PSA din clasa B începând cu anul 2016. Sistemul Hybrid Air de la PSA – galerie galerie foto
46
47
48
Citroen C3 cu tehnologie Hybrid Air
49
50
51
52
2.6.2 Motorul hibrid Scuderi Carmelo Joseph Scuderi (1925 – 2002)
Carmelo J. Scuderi a fost un inventator de origine americană, inginer mecanic, inginer specialist în termotehnică și mecanica fluidelor. Și -a dedicat întrega viață profesională (aproximativ 50 de ani) invenției, dezvoltării, testării și comercializării de noi produse. Printre companiile la care a lucrat sau a fost partener se numără Hughes Aircraft Company, US Navy (forțele navale americane), Air Force (forțele americane aeriene) și NASA (agenția națională spațială americană).
Fig. 2.30 Motorul Scuderi Sursa: Scuderi
Îmbunătățirea randamentului motorului cu ardere internă cu ciclu Otto (motorul pe benzină) a fost unul dintre subiectele pe care a lucrat de -a lungul carierei. Astfel în 1998 a început proiectarea motorului Scuderi cu ciclu divizat . Noul concept de motor cu ardere internă a fost finalizat în 2001 când, cu ajutorul familiei, a obținut patentarea invenției și fondurile necesare pentru dezvoltarea motorului prototip cu ciclu Scuderi.
Carmelo Scuderi a murit în 2002, la vârsta de 77 de ani. Familia acestuia a continuat procesul de dezvoltare și testare a prototipului, proces ce continuă și în prezent. 53
Motorul hibrid Scuderi -
construcție și funcționare
Este primul motor hibrid cu aer care captează și stochează energie sub forma de aer comprimat, energie care la motoarele clasice este pierdută. Simulările numerice pentru un astfel de motor au arătat o reducere a emisiilor de CO2 și a consumului de combustibil cu până la 50%. De asemenea emisiile de NOx se pot reduce cu până la 80%.
Fig. 2.31 Motorul hibrid Scuderi - vedere 3D Sursa: Scuderi
În comparație cu un motor termic în 4 timpi motorul Scuderi utilizează un ciclu de funcționare divizat. Prototipul motorului Scuderi are 4 cilindrii, doi cilindrii funcționând în regim de compresor iar ceilalți doi în regim de motor. Practic timpii de admisie și comprimare sunt separați de timpii de destindere și evacuare în funcție de cilindrii. Cilindrii compresorului efectuează un ciclu complet de funcționare în două curse, una pentru admisie și a do ua pentru comprimare. De asemenea cilindrii motorului, cei care produc lucru mecanic, efectuează un ciclu complet, destindere și evacuare, în numai doua curse ale pistonului.
54
Fig. 2.32 Motorul hibrid Scuderi – schemă de principiu Sursa: Scuderi Una din diferențele semnificative față de un motor cu ardere internă clasic este aprinderea după punctul mort interior (PMI). Acest proces are ca efect arderea eficientă și completă a amestecului aer -carburant. Când aprinderea (cu ajutorul unei bujii) este inițiată la
PMI arderea începe între 11º și 15º după PMI și se termină la aproximativ 23º grade după PMI. Rezultatul este o temperatură medie a arderii mai mare dar cu o valoare maximă (vârf de temperatură) mai mică comparativ cu motoarele clasice pe benzină.
Fig. 2.33 Motorul hibrid Scuderi – ciclu motor Sursa: Scuderi
55
Motorul prezintă avantajul recuperării energie disipate în timpul frânării automobilului. Spre deosebire de automobilele hibride (termic-electric) sau ce cele electrice,
la care energia recuperată în timpul frânării este stocată în baterii, motorul Scuderi stochează energia recuperată sub forma de aer comprimat într -un rezervor sub presiune.
Fig. 2.34 Motorul hibrid Scuderi – rezervorul de aer comprimat Sursa: Scuderi
Moduri de funcționare A. Nominal – compresorul alimentează rezervorul de aer comprimat precum și cilindrii
motorului. Atât compresorul cât și motorul funcționează B. Recuperarea energiei de f rânare – fluxul de aer comprimat alimentează doar rezervorul, injecția de combustibil este întrerupta. În acest mod funcționeaza doar compresorul, consumul de combustibil fiind zero C. Regim stabilizat – fluxul de aer alimentează într -o mare măsură rezervorul și într -o
mică măsură cilindrii motorului. În acest mod se creează presiune în rezervorul cu aer comprimat pentru o utilizare ulterioară D. Randament ridicat – compresorul este dezactivat, aerul necesar arderii fiind preluat din rezervor. În acest mod pistoanele compresorului nu mai consumă lucru mecanic
56
Fig. 2.35 Modurile de funcționare al motorului hibrid Scuderi Sursa : Scuderi Motorul Scuderi turbo supraalimentat
Randamentul unui motor cu ardere internă este dat de diferența dintre lucrul mecanic pozitiv (rezultat în urma arderii) și lucrul mecanic negativ (consumat de pentru comprimarea aerului). Dacă se utilizează un turbo -compresor randamentul motorului crește deoarece o parte din energia gazelor de evacuare este folosită pentru a precomprima aerul di n admisie.
Fig. 2.36 Motorul hibrid Scuderi cu turbo compresor Sursa: Scuderi 57
Separarea cilindrilor compresorului de cilindrii în care se produce arderea a permis reducerea dimensiunilor cilindrilor de comprimare, energia consumată pe cursa de comprimare fiind de asemenea mai mică. În plus utilizarea unui turbo -compresor a permis reducerea pierderilor prin pompaj și îmbunătățirea randamentului motorului.
Particularitățile motorului hibrid Scuderi Datorită modului de funcționare, cu ciclu divizat, motorul Scuderi are câteva avantaje comparativ cu motoarele clasice utilizate pentru automobile: o o o
o
previne detonația datorită injecției întârziate este echipat cu un sistem de injecție inovativ produs de Bosch sistemul de distribuție este variabil, cu control pneumatic, ce permite funcționarea motorului la un randament ridicat în zona de sarcini parțiale este prevăzut cu un sistem de control al așezării supapelor pe sediu, ce permite deschiderea și închiderea rapidă a supapelor de curgere a aerului dintre compresor ș i motor
Fig. 2.37 Motorul hibrid Scuderi – secțiune 3D Sursa: Scuderi Caracteristici tehnice
Scuderi testează două versiuni ale motorului, o versiune aspirată și una cu turbo compresor. Performanțele motoarelor Scuderi, comparativ cu un motor clasic pe benzină, sunt prezentate în tabelul de mai jos: Motorul Scuderi
Aspirat
Turbo supraalimentat
6000 [rot/min] Turație motor maximă Puterea litrică similară Randamentul (Sarcină maximă) similar Randamentul (Sarcini parțiale) +5...10% 58
6000 [rot/min] 135 [CP/litru] +10...15% +15...20%
Emisii
-80% NOx
-80% NOx
Presiunea de lucru din cilindri
50...65 bari
110...130 bari
Presiunea de injectie
200 bari
200 bari
Presiunea medie efectivă
10 bari
22 bari
Raportul de comprimare
75:1 - compresor 75:1 - compresor 50:1 - motor 50:1 - motor
Cilindreea (aprox. 1 litru)
0.59 - compresor 0.4 - compresor 0.52 - motor 0.52 - motor
Parteneriate
Grupul Scuderi a încheiat parteneriate cu diferite companii de profil din industria automobilelor pentru proiectarea motorului și furnizarea de piese și componente: o o o o o o
pistoane (Mahle)
sistem de injecție (Bosch) supape cu comanda pneumatică (Cargine Engineering) simulări numerice (Convergent Science) componente pentru sistemul de distribuție (Schaeffler Group) curele pentru distribuție și accesorii (Gates Corporation)
De asemenea grupul PSA și Daimler s -au declarat interesați de motorul Scuderi, mai ales datorită potențialului acestuia în ceea ce privește reducerea emisiilor poluante.
2.7 Concluzii
Posibilitățile de amplasare ale mașinilor electrice reversibile în cadrul sistemului de propulsie tradițional condc la un număr practic nelimitat de arhitecturi posibile ale sistemelor hibride;
Costul unui kilometru parcurs cu un autovehiculul cu propulsie electrică este estimat la doar o cincime din cel aferent parcurgerii aceleiași distanțe cu un autovehicul echipat cu motor pe benzină, iar costurile de întreținere sunt și ele cu mult mai reduse; Estimările arată faptul că modelele hibride și electrice vor reprezenta aproximativ 10% din total mașini produse în anul 2020. Printre cele mai importante beneficii se numară diversificarea surselor de energie, consumul redus de carburant și reduce rea emisiilor. Comisia Europeană a adoptat recent o strategie care prevede eliminarea automobilelor care folosesc combusitibili convenționali până în 2050; Posibilitatea de a conduce autoturisme silențioase, cu emisii de noxe reduse sau inexistente devine din ce în ce mai apropiată de realitate. Pe masură ce tehnologiile vor evolua și numărul de exemplare produse va crește, costurile de producție se vor reduce și autovehiculele propulsate electric vor fi adoptate pe scară tot mai largă. Tehnologiile alternative de propulsie capată o importanță din ce în ce mai mare, chiar dacă motorul cu ardere internă va continua să domine piața auto și în urmatoarea perioadă de timp.
59
Capitolul 3
3. ARHITERCTURI DE VEHICULE ELECTRICE
3.1 Generalități
Automobilul electric este un vehicul propulsat de un motor electric, cu alimentare de
la o sursă electrică, de obicei acumulator/baterie sau supercondensator. În comparație cu autovehiculul hibrid, (cum ar fi Toyota Prius), care funcționează pe bază de acumulator și benzină, autovehiculul electric funcționează în exclusivitate cu ajutorul curentului electric, furnizat prin acumulatori. În plus, din necesitatea extinderii autonomiei, mașina electrică este de obicei echipată cu un generator pe bază de benzină, care încarcă permanent sau în funcție de necesitate, acumulatorul.
Deși General Motors a construit și lansat pe piață înt re anii 1996 – 1999 primul automobil electric, EV1 a fost retras de pe piață și reciclat, la presiunea companiilor petroliere și a argumentației unei presupuse lipse de cerere de pe piață. Astfel, anul 2008 reprezintă de facto începutul erei autovehiculului de serie în totalitate cu alimentare electrică. Este anul în care s-au lansat pe piață diverse concepte de acumulatori cu un randament relativ ridicat și un preț accesibil. Astfel, se preconizează ca până în 2010 să poată fi fabricată o mașină electrică performantă de serie pe scară largă și la un preț apropiat de prețul mașinilor pe benzină. În principiu, orice automobil care are motor de tracţiune electric este considerat automobil electric. Sursa de alimentare, aflată pe vehicul, poate fi de diverse tipuri, însă, pentru majoritatea covârşitoare a automobilelor electrice realizate până în prezent, sursă este o baterie de acumulatoare electrice.
Vehiculele electrice au, faţă de vehiculele cu motoare termice, o serie de avantaje notabile, şi anume: reducerea drastică a poluării chimice şi fonice; • • posibilitatea de utilizare a unor sisteme de acţionare sofisticate, oferite de cele mai moderne realizări în domeniul acţionarilor electrice; • posibilitatea realizării comode a sistemelor de frânare antiblocante, prin utilizarea frânarii electrice; dacă franrea este recuperative, se face şi o importantă economie de energie; • posibilitatea de acţionare individuală a roţilor (eventual, prin înglobarea motoarelor de tracţiune în roţi, realizând asanumitele mot oroti); aceasta conduce la simplificarea sistemelor de transmisie, cea mai importantă fiind eliminarea diferenţialului mecanic. • Principalele probleme pe care le pun automobilele electrice şi care îngreunează, deocamdată, proliferarea acestora sunt următ oarele: • densitatea de energie şi de putere a acumulatoarelor electrice actuale este semnificativ mai scăzută decât a combustibililor ( la un automobil pe benzină densitatea de energie este 10500 Wh/kg, iar la un automobil electric cu acumulator cu plumb-acid densitatea de energie
fiind 161 Wh/kg); aceasta face ca , pe de o parte, autonomia automobilelor electrice să fie inferioară celei din cazul automobilelor clasice: 150 -250 km, faţă de 400 -800 km; pe de altă parte, viteza maximă a automobilelor electr ice (100-130 km/h) este mai scăzută decât a automobilelor clasice (cca 200 km/h); de asemenea, acceleraţiile realizate cu automobilele electrice sunt inferioare celor din cazul automoblielor clasice; • sunt necesare staţii de încărcare a bateriilor de acu mulatoare; acestea pot fi dotate fie cu acumulatoare preincarcate, care să le schimbe pe cele descărcate de pe automoblile -ceea ce
pune probleme de depozitare şi de asigurare a unei diversităţi de baterii, în funcţie de tipurile de automobile existente-, f ie cu instalaţii de încărcare a bateriilor direct pe automobile; în 60
ultimul caz, se pune problema timpului de încărcare, acesta fiind de ordinal orelor pentru o încărcare completă normală (doar pentru încărcări parţiale, el poate fi redus la ordinal minutelor-zecilor de minute);
• • •
sunt necesare investiţii iniţiale mari, dacă producţia automobilelor este de serie mică. Bateriile de acumulatoare cu energii mari şi , mai ales, pilele electrice de combustie oferă, însă, noi posibilităţi, justificând o reevaluare promiţătoare a fezabilităţii
vehiculelor electrice rutiere.
Sistemul de acţionare a unui automobil electric trebuie să satisfacă o serie de cerinţe, cele mai importante fiind prezentate mai jos:
• Pentru o baterie dată, autonomia automobilului creşte dacă, pe de o parte, pierderile în sistemul de acţionare sunt mai scăzute, iar, pe de altă parte, masa acestui sistem este mai scăzută ( contribuind, astfel, la scăderea masei totale a automobilului şi, implicit, la scăderea energiei necesare acceler ării şi învingerii rezistenţei la înaintare a automobilului); reducerea pierderilor din sistemul de acţionare implica utilizarea unor sisteme de comandă şi motoare electrice de tracţiune cu randamente ridicate: masa sistemului de acţionare poate fi redusă, în esenţă, pe două căi: • utilizând acele tipuri de motoare electrice şi de convertoare care au puteri specifice (kW/kg) mari;
•
introducând răcirea forţată, cu aer sau chiar cu apa, a motorului şi a convertorului ( cu posibilitatea de utilizare a fluidului cald – atunci când este necesar – la încălzirea automobilului).
• Sistemul de acţionare trebuie să fie cât mai ieftin posibil, ţinând seama că bateriile de tracţiune sunt, încă, foarte scumpe. • Componentele sistemului de acţionare trebuie san u ne cesite - pe cât posibil – întreţinere, pe durata de viaţa a automobilului (150000-200000 km). Sistemul de actionare trebuie sa fie fiabil, foarte rezistent la socuri si la vibratii.
Primul autovehicul acționat electric cu ajutorul unor baterii se presupune că a fost construit in anul 1870 de un mecanic din Bruxelles, acesta având o autonomie de numai 15 km. 3.2 Părți componente. Descriere
Un autovehicul electric reprezintă combinația dintre: • • •
motor electric; controler; baterie Controler (chopper / invertor)
61
Un chopper conectat la baterii alimentează mai departe motorul electric de curent continuu. Atunci când pedala este apăsata la maxim, Chopperul furnizează la bornele motorului întreaga tensiune de 96 V furnizată de baterii. Dacă pedala nu este apăsata deloc, atunci chopperul nu comandă motorul, rezulta că maşina sta pe loc. Chopperul poate furniza motorului o tensiune cuprinsă între 0 – 96 V în funcţie de cât de mult este apăsata pedala de acceleraţie. Pedala de acceleraţie este conectată la două potenţiometre, care traduc mişcarea de translaţie a pedalei într -un semnal variabil ce comanda chopperul. Chopperul este cea mai mare componenta aşezată sub capota unei maşini electrice. Semnalul dat de potenţiometre spune chopper -ului cât de multă putere să furnizeze motorului electric. Sunt două potenţiometre din motive de siguranţă, chopper -ul citeşte ambele potenţiometre şi se asigura că ambele dau acelaşi semnal. Dacă nu, chopper -ul nu funcţionează. Majoritatea choppere-lor funcţionează la o frecvenţă de 15 kHz pentru a nu fi auzite de urechea umană. Pulsurile în motor cauzează o vibraţie a motorului egală cu frecvenţă, iar o frecvenţă egala sau mai mare cu 15 kHz însemnând o funcţionare silenţioasă a maşinii. Dacă autovehiculul este echipat cu un motor de curent alternativ, vom folosi un invertor, iar schema bloc va arăta ca în poza următoare:
Invertorul transforma curentul continuu furnizat de baterii, în curent alternativ trifazat. La un invertor este necesar ca elementele semiconductoare să fie co mandate decalat cu 60 grade electrice, pentru a evita situaţia apariţiei unui scurt -circuit la bornele bateriei. La un invertor avem nevoie de 6 elemente semiconductoare, faţă de unul singur la chopper, de aici rezulta că preţul unui invertor este sensibil mai ridicat decât al chopper -ului. Motorul electric Un autovehicul electric poate fi echipat cu un motor de curent alternativ sau un motor
de curent continuu. Dacă motorul este de curent continuu, atunci el va avea o tensiune de alimentare cuprinsă între 96 – 192 V. Dacă motorul este de curent alternativ, atunci el va avea o tensiune de alimentare cuprinsă între 240 – 300 V. De obicei sunt trifazate asincrone sau sincrone fără perii. Cazurile de mai sus sunt generale, deci pot exista şi motoare care să se alimenteze la alte tensiuni.
Motoarele de curent continuu sunt mai uşor de instalat şi mai ieftine. În general un motor are între 20 – 30 de kW, iar chopper-ul între 40 – 60 kW (de exemplu: un chopper alimentat de la 96 V va putea furniza maxim 400 – 600 A). Acest tip de motoare pot şi 62
suprasolicitate pentru perioade scurte de timp, fără să se deterioreze. Această caracteristică da autovehiculului respectiv o acceleraţie rapidă. Motoarele de curent alternativ sunt folosite aproape în întreaga industrie , deci se poate găsi mult mai uşor unul potrivit şi pentru un vehicul electric. În timpul frânarii, motorul se transforma în generator şi încarcă bateriile prin intermediul invertorului, care poate funcţiona şi ca redresor. Dintre toate tipurile de motoar e electrice, cea mai promiţătoare soluţie pentru acţionarea considerate se arata a fi motorul de c.c fără perii. Într -adevăr, acest motor nu are rival în privinţa a doua caracteristici importante: randamentul şi dimensiunile (masa). În plus, nu are contacte alunecătoare, implicând, deci, o întreţinere foarte simplă. De asemenea, el permite un reglaj foarte simplu al vitezei; invertorul sau PWM este
actualmente binecunoscut şi în continuu progress din punct de vedere al preţului, fiabilităţii şi compactizăr ii. Este adevărat că, deocamdată, preţul acestui motor este ridicat, datorită costului magneţilor permanenţi, dar el trebuie considerat în corelaţie cu celelalte costuri: al energiei consumate de automobil – mai scăzută datorită randamentului mai ridicat şi greutăţii mai mici; al schemei de comandă – relativ simplă; al întreţinerii foarte puţin pretenţioase. În plus, se întrevede o scădere în timp a costului magneţilor permanenţi, ceea ce va determina şi o scădere a preţului motorului. 3.3 Transmiterea cu plului motor la roţi
Una dintre cele mai importante probleme ale tracţiunii bazate pe aderenta o constituie modul de amplasare a motorului de tracţiune pe vehicul şi de acţionare a roţilor motoare, acesta trebuind să asigure atât transmiterea cuplului motor, cât şi protejarea motorului de tracţiune faţă de şocurile primite de la calea de rulare. În plus, la vehiculele cu roţi pneumatice, transmiterea cuplului motor trebuie să se facă astfel încât să se asigure independenta roţilor motoare, pentru a reduce uzura pneurilor. Deseori, parametrii sistemului de transmisie şi parametrii electrici şi mecanici ai motorului de tracţiune se condiţionează reciproc. La aceasta contribuie şi faptul că, spre deosebire de acţionările staţionare, gabaritele care stau la dispoziţie pe vehiculele electrice sunt restrânse. Acţionarea roţilor motoare ale unui automobil electric poate fi: individuală, la care fiecare roată motoare este acţionată de câte un motor; colectivă, la care un motor acţionează un grup de roţi. Soluţia clasică de acţionare a automobilelor electrice (utilizată şi la automobilele cu motoare termice) este aceea a acţionarii collective. Pentru că, o dată cu transmiterea cuplului de la motor la roţi, să se asigure şi independentă roţilor, în acest caz, este necesară utilizarea unui diferenţial mecanic, existând diverse soluţii pentru realizarea acestuia. În figură următoare este prezentată una dintre cele mai simple soluţii. Principiul
constructiv
al
unui
diferențial mecanic: M - motor de tractiune; PN – pinion; RD – roata dintata; CD – “carcasa” diferențialului; P – planetare; S – sateliți; RM – roți motoare.
63
Diferenţialul propriu-zis este format din “carcasa” CD, rotile dintate - planetare P şi roţile dintate-sateliti S. Cuplul se transmite de la motorul M la carcasa diferenţialului, prin intermediul unui reductor format din pinionul PN – fixat pe arborele lui M – şi roata dinţată RD – fixate pe CD (pentru simplitate, s-a considerat ca reductorul are o singură treaptă, c u roţi dinţate cilindrice). În continuare, cuplul transmis planetarelor (şi, implicit, roţilor automobilului, rigidizate pe axele corespunzătoare ale planetarelor) prin intermediul sateliţilor, aceştia din urmă putându -se, eventual, roti în jurul axelor proprii. În acest fel, se asigura independenta relativă a celor două roţi motoare RM1 şi RM2. Acest sistem are o serie de dezavantaje:
randamentul acţionarii este micşorat de frecările introduse de diferenţial; diferenţialul contribuie la creşterea greutăţi i automobilului; diferenţialul are un cost relativ ridicat şi necesită o întreţinere suplimentară. Pentru înlăturarea acestor dezavantaje, la automobilele electrice moderne se utilizează acţionarea individuală, fiecare roată motoare având motorul sau. În acest caz, al acţionarii individuale, cuplul poate fi transmis roţilor motoare în două
moduri: direct; prin angrenaje.
La transmiterea directă, rotorul motorului este solidar (eventual, prin intermediul unei transmisii cardanice – permite deplasarea relativă pe verticală între anumite limite a roţilor faţă de cadrul automoblilului -) cu roata motoare, turaţia rotii fiind, deci, egală cu turaţia motorului.
La transmiterea prin angrenaj, intre motor şi roata motoare se dispune un angrenaj reductor, care face ca turaţia rotii să fie inferioară turaţiei motorului (raportul de transmisie it>1).
Transmiterea cuplului de la motorul de tracțiune la roti: a) directa; b) prin angrenaj. M – motor; RM – roata motoare; R – reductor.
Cu toate că transmiterea directă a cuplului este mai simplă, ea nu este folosită decât în cazuri foarte rare – când simplitatea construcţiei este hotărâtoare - , având următoarele dezavantaje esenţială:
demontarea motorului pentru revizii necesita scoaterea rotii motoare;
vitezele uzuale, relativ reduse, de circulaţie implica motoare cu turaţii reduse; acestea au, la o putere dată, gabarite şi greutăţi mai mari decât motoarele cu turaţii ridicate; la motoarele electrice uzuale, din considerente de gabarit şi de utilizare economică a materialelor active (cupru, fier), viteza periferică a rotorului trebuie să fie mai mare de cca 50 m/s; constructive, să fie cel mult 70% din diametrul rotii; admiţând vitez a periferică a rotorului 50 m/s, rezulta că viteza vehiculului trebuie să fie egală cu cel puţin (50/0,7) m/s=71 m/s=266 km/h, pentru că motorul să fie bine utilizat.
64
În principiu, un autovehicul cu tracţiune electrică este format din următoarele subansambluri: bateria de acumulatori (3); motorul electric de antrenare (5); bloc electronic (4) ;
transmisie mecanică (6).
3.4 Baterii
După cum se ştie alimentarea motoarelor de tracţiune ale automobilelor electrice se face, uzual, de la baterii electrice, care în esenţa sunt formate prin formarea, în diverse conexiuni a mai multor elemente – surse electrochimice. Sursele electrochimice convertesc energia chimică în energie electrică. Veriga slabă într -un autovehicul electric o reprezintă bateriile. Sunt cel puţin 6 mari probleme ale bateriilor plumb-acid:
sunt grele (un bloc de baterii poate cântări 500 kg);
sunt voluminoase (autovehiculele devin robuste);
au capacitate limitată (poate furniza între 12 – 15 kWh, ceaa ce poate însemna o
autonomie de 80 km); procesul de încărcare necesita timp îndelungat (aporximativ 10 h);
au o durată de viaţă relativ scurtă (3 – 4 ani, sau 200 de reîncărcări); sunt destul de scumpe (aproximativ 2000 $). Bateriile plumb-acid pot fi înlocuite cu cele NiMH (nichel hidruri metal ice).
Autonomia autovehiculului se va dubla, iar bateriile au o durată de viaţa de aproximativ 10 ani, dar costul bateriilor este de 10 – 15 ori mai ridicat decât cel al bateriilor plumb -acid. Cu alte cuvinte, bateriile NiMH costa aproximativ 20000 – 30000 $, iar cele cu plumb-acid costa doar 2000 $.
Dacă privim probleme referitoare la baterii, vom avea o perspectivă diferită asupra folosirii benzinei şi anume: la 7,5 litri de benzină ceea ce înseamnă o greutate de 7 kg, costa 3 dolari şi durează 30 de secunde pentru a o introduce în rezervor; este echivalentula 500 kg de baterii plumb-acid care costă 2000 $ şi durează 4 h încărcarea. Problemele pe care le au bateriile explică de ce se pune accent asupra dezvoltării pilelor de combustie. Acestea sunt mult mai mici, mai uşoare, poluare chimică redusă, randament energetic ridicat (60%), densitate masica a energiei ridicată şi se reîncarca foarte rapid. Este evident că autovehiculele viitorului vor folosi motorul electric pentru tracţiune, iar energia electrică necesară va fi produsă de către pilele de combustie.
65
Tipuri de baterii: Acumulatori plumb-acid: Caracteristi teoretice: tensiunea unei celule : 2,1 V; densitatea de energie : masica 161 Wh/kg; volumica 686 Wh/l. În cazul acumulatoarelor cu plumb -acid uzuale, apa din electrolit se pierde în timp
(prin evaporare, precum şi prin descompunereai ei în H2 şi O2 care se degaja la electrozi); de aceea, ea trebuie completata periodic. Pentru evitarea sulfatării electrozilor, acumulatoarele trebuie reîncărcate imediat după descărcarea lor. De asemenea, are loc o autodescarcare (descărcare fără a avea conectată o sarcină) a acumulatoarelor, ceea ce impune reîncărcarea lor după perioade mari de neutilizare. Rezultă necesitatea unei întreţineri pretenţioase a acestor acumulatoare. Tehnologiile moderne permit realizarea acumulatoarelor cu plumb-acid în aşa numita
varianta “fără întreţinere”. În acest caz acumulatoarele sunt capsulate, au o construcţie adecvată a electrozilor, iar electrolitul este “solidificat”, fie fixat într -un gel, fie absorbit în materiale poroase de tip “vată”. La aceste acumulatoare, pierderile de apă sunt neglijabile, autodescarcarea este foarte redusă (circa 35 % din capacitatea nominală, după 12 luni), iar sensibilitatea lor la descărcări ocazionale outernice, la vibraţii şi la temperaturi joase este mult scăzută. Deşi folosesc electrozi solidificaţi, densitatea de energie mai ales la descărcări rapide şi temperaturi scăzute este mai mare decât a acumulatoarelor uzuale. Desigur toate ace ste se obţin cu preţul unui cost mai ridicat. Avantaje: sunt relativ ieftine;
au un număr relativ mare de cicluri de încărcare – descărcare; folosesc pentru electrozi pumbul care este disponibil în cantităţi mari; se poate realiza în varianta “fără întreţinere”; exista producţie în serie; la ieşirea lor din funcţiune, plumbul din electrozi poate fi uşor reciclat.
Dezavantaje:
au densitate redusă a energiei, ceea ce implică greutăţi şi volume mari; puterea lor scade odată cu descărcarea; capacitatea şi energia lor scad, la temperaturi scăzute; oferă posibilităţi limitate de încărcare rapidă (încărcarea lor completă se face pe timp de câteva ore); sunt sensibile la supracurenţi (de încărcare sau descărcare).
Acumulatori Ni-Cd; Caracteristi teoretice: tensiunea unei celule : 1,3 V; densitatea de energie : masica 209 Wh/kg; volumica 693 Wh/l.
Dintre celelalte tipuri de acumulatoare, perspectiva de a fi utilizate în tracţiune, datorită energiilor lor specifice ridicate, o au cele cu sodiu -sulf (Na-S), precum şi cele bazate pe litiu (Li). Pentru a obţine o conductivitate suficientă a electrolitului solid este necesară o temperatură ridicată (între 300 – 400 oC; uzual 330 oC). Funcţionarea la o astfel de temperatură necesita o izolare termică compactă şi eficientă. De regulă se foloseşte o izolaţie termică vacuumata care acoperă complet celulele acumulatorului, lăsându -se doar locuri pentru realizarea conexiunilor electrice. În incinta termică se instalează un încălzitor electric precum şi un schimnbator de căldură lichid (pentru răcirea celulelor în cazul unor descărcări puternice). 66
Avantaje:
au un număr foarte mare de cicluri de încărcare descărcare; puterea lor se menţine relativ constantă după o descărcare parţială; au o comportare foarte bună la temperaturi scăzute; oferă posibilitatea reîncărcării rapide (se pot realiza încărcări cu curenţi de până la 10 În); nu necesită întreţinere (acumulatoare capsulate); exista producţie în serie.
Dezavantaje:
sunt scumpe (datorită costului ridicat al cadmiului); pun probleme ecologice, cadmiul fiind toxic;
încărcarea lor pune probleme la temperaturi ridicate;
Acumulatori Na-S; Caracteristi teoretice: tensiunea unei celule : 2,1 V; densitatea de energie : masica 792 Wh/kg; volumica 1196 Wh/l. Principalele obstacole în utiliza rea acestor baterii pe automobilele electrice sunt:
numărul redus de cicluri încărcare – descărcare şi puterea specifică scăzută la funcţionarea continua.
Supercondensatorul: bateria viitorului Un alt concept este folosirea unui supercondensator , ca acumulator. Condensatorul
este în principiu cel mai bun concept pentru a înlocui motoarele convenționale pe benzină, mult mai bun decât acumulatorul „clasic”, bazat pe litiu -ion, deoarece nu există reacții chimice, timpul de reîncărcare este foarte scurt, iar randamentul este de 100%. Însă pană în 2008 nu au existat produse satisfăcătoare pe piață. Un nou condensator care ar putea revoluționa industria auto după un secol de cerce tare este anunțat în 2008 de către firma americană EEStor, care conform propriilor declarații a descoperit un nou tip de supercondensator, cu o densitate de 340 Wh/kg (condensatorii normali au o densitate în jur de 5 Wh/kg) care va fi produs în serie în sc urt timp sub numele
de EESU (EEStor Energy Storage Unit). EESU are o masă de 152 kg, un volum de 33 litri, capacitate de 31 Farad, tensiune 3500 V și un preț de 3200 $. Reîncărcarea cu 52 kW/h ar fi posibilă în ca. 6 minute. Primul automobil care va integr a această tehnologie va fi cityZENN. CityZENN, anunțat pentru 2009, va atinge o viteză de 125 km/h, iar distanța de deplasare cu o singură încărcare va fi de 400 km. Acest automobil va reduce costurile de întreținere cu 90%, comparativ cu un vehicul obișnuit, conform declarațiilor firmei producătoare Zenn Motors. Avantajele majore ale automobilului electric sunt consumul redus, poluare aproape de
zero în afara producției, eficiență/randament foarte mare, accelerare instantă, zgomot foarte redus, întreținere ușoară prin eliminarea unei mari părți a motorului clasic Otto, democratizarea transportului prin lărgirea bazei de producție a sursei energetice până la consumator. Dezavantajele majore sunt costul ridicat, timpul de încărcare al acumulatorului relativ
mare, autonomia redusăde max. 160 km în cazul modelelor Leaf și Volt (în cazul Tesla ca. 200-500 km). Acumulatorii își reduc capacitatea până la 50% și chiar mai mult la temperaturi sub 10 °C și peste peste 40 °C și tind să se supraîncălzească și chiar să explodeze în unele condiții. De asemenea pot apărea diverse probleme legate de pornire în situații de temperatură. 67
3.5 Mitsubishi i-MiEV
Pe data de 9 Iunie 2009, la Tokyo, Mitsubishi Motors a dezvăluit noua generație de vehicul electricMitsubishi i-MiEV (Mitsubishi innovative Electric Vehicle). Comercializarea
către companii, autorități guvernamentale și locale a fost prevăzuta pentru Iulie 2009. Vânzarea către persoane fizice a automobilului a debutat în Aprilie 2010.
Foto: Mitsubishi i-MiEV Automobilul electric Mitsubishi i-MiEV reprezintă rezultatul a 40 de ani de cercetare
și dezvoltare, realizate de Mitsubishi Motors, în domeniul automobilelor electrice. Conform oficialilor Mitsubishi, i-MiEVreprezintă o soluție viabilă la multiplele încercări la care este supus automobilul, legat de poluarea mediului, încălzirea globală și epuizarea rezervelor de petrol.
Foto: Peugeot iOn 68
Datorită colaborării între grupul PSA și Mitsubishi, în Europa, Mitsubishi iMiEV este comercializat și sub emblema Peugeot iOn și Citroen C-Zero. Practic este același automobil, diferențele fiind notabile doar la câteva elemente de caroserie.
Foto: Citroen C-Zero Mitsubishi i-MiEV face parte din clasa de vehicule cu emisii poluante zero (ZEV), emisiile de CO2 din timpul rulării fiind de asemenea nule. Chiar dacă se iau în considerare
emisiile produse pentru generarea energiei electrice, necesare propulsării automobilului, nivelul emisiilor de CO2 se situează la o treime, comparativ cu un automobil cu motor termic din aceeași clasă. Economicitatea exploatării automobilului i -MiEV se datorează faptului ca acest a utilizează în totalitateenergie electrică ca sursa de energie. Costul energiei electrice depinde în mare măsura de tarifele companiei ce furnizează energia, care se poate reduce adițional în cazul în care încărcarea bateriilor se face în perioade de consum mic (în timpul nopţii).
Foto: Mitsubishi i-MiEV - componentele sistemului de tracțiune și alimentare cu energie 1. baterie 69
2. 3. 4. 5. 6.
mașină electrică (motor/generator) invertor
încărcător energie electrică priză încărcare lentă (casă) priză încărcare rapidă (stație)
Foto: Baterie Mitsubishi i-MiEV Sursa de energie pentru Mitsubishi i-MiEV provin dintr-o baterie Li-ion. Acesta este de capacitate mare, compusă din 22 module ce însumează 88 de celule conectate în serie. Fiecare celulă generează 3.7 V, tensiunea la bornele bateriei fiind de 330 V.
Foto: Mitsubishi i-MiEV – celulă baterie
Foto: Mitsubishi i-MiEV – modul baterie
Bateria este instalată în partea centrală a automobilului, sub podeaua. Din acest motiv centrul de greutate al automobilului este scăzut, ceea ce -i conferă automobilului stabilitate și maniabilitate ridicată, mai ales în viraje.
70
Foto: Mitsubishi i-MiEV – componente baterie Datorita utilizării propulsor electric, nivelul zgomotului generat de i-MiEV este foarte redus. De asemenea, cu ajutorul caracteristicilor de tracțiune ale motorului electric (cuplu motor maxim la turații joase),Mitsubishi i-MiEV oferă performanțe dinamice deosebite, răspuns rapid în accelerație, peste nivelul obținut de un automobil similar, din aceeași clasă propulsat de un motor termic.
Foto: Motor electric Mitsubishi i-MiEV
71
este sincron, cu magneți permanenți. Acesta generează 180 Nm între 0 – 2000 rot/min și o putere maximă constantă de 67 CP între 2500 – 8000 rot/min. Motorul funcționează și ca generator de curent electric. Când automobilul încetinește (în regim de rulare liberă fără accelerație sau frânare) motorul devine generator și transformă energia cinetică a automobilului în energie electrică, care este ulterior stocată în baterii. Datorită cuplului motor generos disponibil din momentul pornirii, i -MiEV nu are nevoie de cutie de viteze în trepte. În schimb utilizează un singur raport de demultiplicare, legătura mecanică a motorului cu roțile motoare (spate) fiind permanentă. Pentru mersul înainte levierul selector de viteze permite selectarea a trei poziții, fiecare fiind specifică unui mod de conducere: D (Dynamic) – motorul este exploatat la cuplul maxim, răspunsul la accelerații este rapid; acest mod este utilizat în cazul în care se dorește utilizarea performanțelor Motorul electric
o
o
o
dinamice maxime ale motorului Eco (Economy) – puterea maximă este limitată pentru a reduce consumu l de energie
electrică; acest mod este utilizat pentru obținerea autonomiei maxime a automobilului B (Brake) – permite obținerea puterea electrică generată în regim de frânare; acest mod se utilizează pentru maximizarea energiei recuperate prin frânare.
Foto: Mitsubishi i-MiEV – încărcător on- board și invertor Automobilul este echipat cu un încărcător compact, ușor care permite încărcarea
bateriei de tracțiune de la o priză casnică de curent alternativ de 100/200 V. Motorul de tracțiune este al imentat cu curent alternativ. Invertorul transformă curentul continuu (DC – direct current) din baterie în curent alternativ (AC – alternating current) necesar alimentării motorului. De asemenea, automobilul mai este echipat și cu un convertor DC/DC. Acesta are rolul de a încărca bateria auxiliară de 12 V necesară alimentării echipamentelor auxiliare ale automobilului. Pentru a reduce spațiul ocupat, convertorul este integrat în carcasa încărcătorului.
72
Foto: Mitsubishi i-MiEV – moduri de încărcare a bateriei Încărcarea bateriei se poate face în două moduri: normal, la priză de 100/200 V sau rapid, la stație de încărcare trifazată. Metodă Sursa de energie Timp necesar (nivel încărcare) Normal
200 V AC (15 A)
aprox. 7 ore (100 %)
100 V AC (15 A)
aprox. 14 ore (100 %)
Rapid 200 V trifazat (50 kW)
aprox. 30 min. (80 %)
În timpul rulării automobilului mașina electrică poate fi motor (tracțiune) sau generator (frânare). Circuitul de încărcare, descărcare a bateriei în funcție de regimul de deplasare al automobilului este descris în figura de mai jos.
Foto: Mitsubishi i-MiEV – procesul de încărcare/descărcare a bateriei
Pe lângă sistemele și componentele electrice i -MiEV este echipat și cu sistem de climatizare. Aerul condiționat este obținut cu ajutorul unui compresor electric iar sistemul de încălzire recirculă lichidul încălzit prin rezistențe electrice. 73
Foto: Mitsubishi i-MiEV – arhitectura electrică/electronică
Bateria alimentează prin conductori de înaltă tensiune: motorul electric, compresorul și rezistențele de încălzire. Comunicarea modului de control a bateriilor cu invertorul, sistemul de climatizare, direcția asistată electrică (EPS), instrumentele de bord se face prin intermediul magistralei CAN.
Instrumentele de bord oferă informații asupra consumului curent de putere, stării energiei recuperate, stării de încărcare a bateriei și autonomia disponibilă.
Mitsubishi i-MiEV – Date tehnice Motor
Electric de curent alternativ, sincron cu magneți permanenți
Transmisie
Raport fix
Putere maximă [CP @ rot/min]
67 @ 2500 – 8000
Cuplu maxim [Nm @ rot/min]
180 @ 0 – 2000
Tip baterie
Litiu-ion, 330 V, 16 kWh
130 Viteză maximă [km/h] 15.9 Accelerație 0 – 100 km/h [s] Consum energie electrică [Wh/km]
135
Timp de încărcare @ 220 V [ore] 6 (16 A), 7 (13 A), 8 (10 A) Autonomie [km]
150
Dimensiuni L x l x h [mm]
3475 x 1475 x 1610
Caroserie, număr locuri
Hatchback cu 5 uși, 4 locuri
Mitsubishi i-MiEV este primul
automobil electric cu vânzări de peste 10000 de unități (incluzând Peugeot iOn și Citroen C -Zero). Recordul a fost atestat în Februarie 2011.
74
Câteva luni mai târziu Nissan Leaf a preluat titlul de cel mai vândut automobil electric. Între 2009 și Decembrie 2012 platforma i -MiEV a înregistrat 27000 de unități vândute. 3.6 Nissan Leaf - primul automobil electric competitiv
Mobilitatea este unul din pilonii dezvoltării societății moderne, este o componentă fundamentală a vieții noastre. Comerțul internațional, libertatea de a călători aproape oriunde și oricând ,relațiile umane sunt bazate pe mobilitate. Mai mult ca niciodată mobilitatea accesibila, ieftină începe să fie din ce în ce mai g reu de obținut. Epoca combustibililor ieftini, obținuți din petrol se apropie de sfârșit. Petrolul devine din ce în ce mai rar și mai scump. Costul petrolului
Un regres al acestui trend de scumpire a petrolului a fost cauzată de criza economică de la sfârșitul anului 2008, începutul anului 2009. Acesta a redus simțitor prețul barilului de petrol de la aproximativ 140 $ la numai 40 $. Putem spune că industria automobilelor cu propulsie clasică, termică a primit „o gură de oxigen” datorită scăderii prețu lui petrolului.
Foto: Evoluția prețului barilului de petrol. Sursa: nyse.tv
Dezvoltarea economiei mondiale este strâns legată de creșterea prețului barilului de petrol. Astfel prețul petrolului a fost împins spre noi maxime atingându-se valoarea istorică de 140$ pe baril în anul 2008. După cum am mai precizat este evident că mobilitatea „ieftină” începe ușor ușor să fie scumpă. De asemenea impactul poluării asupra mediului cât și fenomenul de încălzire globală sunt din ce în ce mai evidente. Marile aglomerări urbane, metropolele moderne, datorită poluării încep să aibă un efect nociv asupra sănătății umane. Există o alternativa pentru aceste neajunsuri: mobilitatea electrică! Automobilele cu propulsie electrică sunt eficiente, cu zero emisii, având întreținere ușoară și ieftină, ce oferă o experiență plăcută conducătorului.
75
Leaf , vehiculul electric de la Nissan, deschide porțile către era propulsiei electrice! Lansarea automobilului s-a făcut în Decembrie 2010 pe piețele din Japonia și SUA iar în Ianuarie 2011 pe piața europeană.
Foto: Nissan Leaf - exterior Sursa: Nissan
Nissan Leaf este un hatchback de mărime medie, cu cinci locuri, bateriile Li -ion oferind o autonomie de aproximativ 160 km. Partea frontală a automobilului este caracterizată de un design în formă de V și conține blocuri optice cu LED-uri, optimizate pentru consumul de energie, ce reduc cu aproximativ 50% consumul de energie electrică comparativ cu soluțiile convenționale. Forma blocurilor optice mai au rolul și de a redirecționa curenții din jurul oglinzilor retrovizoare reducând astfel frecarea cu aerul și zgomotul din timpul rulării.
Foto: Nissan Leaf – aerodinamica Sursa: Nissan 76
Automobilul se caracterizează pr intr-o platformă și un sistem de propulsie cu zero emisii, având un preț atractiv și un design aparte. Pentru optimizarea consumului de energie electrică Leaf este conectat la un sistem central informațional (ICT) care-i oferă conducătorului auto informații referitoare la starea tehnică a automobilului, traficul rutier și amplasamentul stațiilor de încărcare a bateriilor. Caracteristicile tehnice principale Dimensiuni
Lungime [mm]
4450
Lățime [mm] Înălțime [mm]
1770 1550
Ampatament [mm]
2700
Organizare generală
5 locuri, motor dispus pe puntea din față, bateria dispusă central, tracțiune pe puntea față
Sistem electric
Tip motor electric
sincron pe curent alternativ
Putere / Cuplu [CP/Nm]
109 / 280
Tip baterie
Li-ion cu module laminate
Putere / Capacitate baterie [CP / kWh] 122 / 24
Performanțe Viteză maximă [km/h]
140
Autonomie [km]
160
Alte caracteristici
Recuperarea energiei de frânare, mod ECO
Datorită propulsiei electrice răspunsul automobilului la accelerații este prompt, „plăcerea de a conduce” fiind unul din punctele forte ale automobilului. Autonomia de 160 km este peste media unei deplasări zilnice uzuale. Astfel posesorul unui Leaf își poate îndeplini obligațiile zilnice uzuale (deplasarea la locul de muncă, la instituții, cumpărături, etc.) deoarece distanța medie de deplasare se situează sub valoarea de 160 km. Sistemul de propulsie electric
Cu puține excepții un sistem electric de propulsie conține următoar ele elemente: bateria (sursă de energie electrică), invertorul (unitatea de control a motorului electric), motorul electric și reductorul. Bateria este amplasată central pentru a echilibra distribuția maselor pe punți, ceea ce are un impact pozitiv asupra stabilității automobilului. Ansamblul invertor - motorul electric este dispus transversal pe puntea față legătura cu roțile fiind făcută prin intermediul unui reductor fix și a unui diferențial.
77
Foto: Componentele principale ale sistemului de propulsie Sursa: Nissan Randamentul maxim al sistemului de propulsie electric este de 95%. Media
randamentului în cazul unei utilizări normale se ridică în jurul valorii de 90%. Din acest punct de vedere sistemele cu propulsie electrica sunt net superioare celor cu motoare cu ardere
internă, unde randamentele se situează de multe ori sub 30%. Bateria Bateria Li-ion este compusă din mai multe module, fiecare modul conținând patru celule laminate. Celulele laminate au forme dreptunghiulare, plate, avantajul față de celulele
clasice cilindrice fiind compactitatea, și dimensiunea redusă. Cele patru celule din fiecare modul sunt conectate câte două în paralele și apoi înseriate. Pachetul de baterii conține 48 de module, un calculator de monitorizare și control, o cutie de siguranțe și un întrerupător de service.
Foto: Baterie Nissan Leaf (celulă, modul, pachet baterii) Sursa: Nissan 78
Un alt avantaj al celulelor laminate este radiația termică emisă ce permite răcirea acestora cu flux de aer. De asemenea forma compactă a pachetului de baterii a permis montarea acestuia între punți (cu efect asupra echilibrării maselor) și utilizarea fluxului de aer de sub automobil pentru răcire.
Motorul şi reductorul Propulsia automobilului este asigurată de un motor electric sincron, cu magneți permanenți. Motorul este proiectat și fabricat de Nissan special pentru a echipa modelul Leaf. Compact, eficient, cu o putere specifică ridicată, motorul are un răspuns rapid la accelerații.
Foto: Nissan Leaf - motorul electric Sursa: Nissan
Cuplu maxim este de 280 Nm între 0 și 2730 rot/min iar puterea maximă de 109 CP este ținută constantă între 2730 și 9800 rot/min. Turația maximă a motorului este limitată la valoarea de 10390 rot/min. Reductorul, care are rol de cutie de viteze cu o singură treaptă, a fost special proiectat pentru a reduce pierderile prin frecare. De asemenea pentru lubrifiere este utilizat un ulei cu
vâscozitate scăzută pentru a minimiza pierderile prin frecare. Invertorul Rolul principal al invertorului este de a controla cuplul motorului electric. Acesta este alimentat cu curent continuu de la baterie pe care-l transforma în curent alternativ pentru
alimentarea motorului electric. Invertorul comunică cu restul de calculatoare de pe automobil utilizând protocolul de comunicație CAN.
79
Foto: Nissan Leaf – invertorul Sursa: Nissan
Datorită funcționării invertorului cu curenți electrici mari temperatura poate atinge valori de până la 340 °C. Pentru a menține temperatura invertorului la o valoare nominală de 65 °C acesta este răcit cu lichid.
Controlul vibraţiilor Capacitatea motoarelor electrice de a furniza cuplul maxim de la turație zero poate fi și un dezavantaj major în anumite cazuri. Când conducătorul automobilului cere cuplul motor maxim, prin apăsarea completă a pedalei de accelerație, fără un control precis al cuplului, în transmisie (reductor + diferențial) pot apărea vibrații torsionale ce au un efect negativ asupra confortului pasagerilor și a fiabilității componentelor.
Sistemul de încărcare al bateriilor
Bateriile pot fi încărcate 80% din capacitatea nominală în aproximativ 30 de minute utilizând o sursă de curent continuu de 50kW. Durata încărcării complete (100%), de la o priză normală de 200V, este estimată la aproximativ 8 ore.
80
Foto: Nissan Leaf – sistemul de încărcare al bateriilor Sursa: Nissan
La încărcării bateriilor de la o sursa convenționala de alimentare (200 – 240 V), de curent alternativ, curentul electric este trecut print-un convertor electric care-l transformă în curent continuu. Pentru a elimina căldura rezultată în urma transformării CA -CC convertorul este răcit cu apă.
Recuperarea energie de frânare În cazul unui automobil convențional, cu motor termic, energia cinetică acumulată în timpul deplasării este redusă de sistemul de frânare prin frecare și transformată în căldură, care ulterior este disipată în mediul exterior. Pentru automobilele electrice acestă energie cinetică (mecanică) este transformată în energie electrică și stocată în baterii pentru o utilizare ulterioară. Posibilitatea transformării din energie mecanică în energie electrică se datorează motorului electric care trece în regim de generator. În acest mod de funcționare inerția automobilului este utilizată pentru a ro ti generatorul electric care produce energie. Calculatorul de control al sistemului de frânare comunică cu calculatorul de control al vehiculului (VCM) prin protocolului CAN și ajustează puterea de frânare a generatorului electric, în funcție de poziția pedalei de frână. Recuperarea energie de frânare și implicit trecerea motorului electric în regim de generator electric are loc atunci când conducătorul auto acționează pedala de frână. Peste un anumit nivel de apăsare al pedalei de frână, sistemul de frânare hidraulic este activat, deoarece cererea de forța de frânare este mai mare. De reținut ca tot acest proces nu este sesizat de către conducătorul auto, totul se petrece ca și cum frânarea s -ar face doar cu un sistem clasic hidraulic. Prin acest sistem de recuperare a energie de frânare s -a reușit extinderea autonomiei automobilului cu până la 25%. Sistemul ICT (Information and Communication Technology) Posesorii de Nissan Leaf se pot conecta prin intermediul sistemului ICT la baza de
date CARWINGS în orice moment. Conexiunea este realizată utilizând unitatea de control telematică (TCU) a sistemului de navigare aflat la bordul automobilului. Conectarea cu baza de date oferă conducătorului auto informații precum: starea bateriilor, starea tehnică generală 81
a automobilului și o statistică a condițiilor de exploatare a automobilului (sarcină motor, viteză, etc.). Serviciile aflate la bordul automobilului, prin intermediul ecranului multimedia,
informează conducătorul auto cu privire la: Autonomie: prin intermediul unei hărți digitale se conturează în jurul coordonatelor curente ale automobilului aria de acoperire maximă în funcție de starea de încărcare a bateriei; Locația stațiilor de încărcare rapidă (vizualizare pe harta digitală) Temporizatorul de încărcare: permite vizualizarea timpilor de încărcare memorați (programarea începerii încărcării bateriilor și durata de încărcare) Descărcarea bateriei: când nivelul de încărcare al bateriei ajunge la o valoare minimă pe lângă atenționarea sonoră și vizuală a conducătorului, pe harta digitală se afișează cea mai apropiată stație de încă rcare. O particularitate a versiunii Leaf este posibilitatea utilizării aplicațiilor de telefonie mobilă pentru a controla unele funcții ale automobilului precum încărcarea bateriilor sau oprirea/pornirea sistemului de aer condiționat. Nissan Leaf se dovedește a fi un automobil ce satisface nevoia zilnică de mobilitate prin utilizarea propulsiei electrice cu avantajele evidente legate de poluare si mediu. În plus este dotat cu o interfață om -mașină performantă cu tehnologie avansată. Prin utilizarea tehnologiilor multimedia, de telefonie mobilă, interacțiunea dintre conducător și automobil devine mai facilă si mai plăcută. Cu toate că face parte din prima generație de vehicule electrice destinate vânzării în masă, Nissan Leaf se află în fruntea clasamentului în ceea ce priveste avansul tehnologic al automobilelor și cu siguranță oferă satisfacție posesorilor.
3.7 Modele de automobile electrice Chevrolet Geo Prism 1994
Primul exemplu de automobil electric prezentat va fi unul modificat dintr-un vehicul de serie (Chevrolet Geo Prism 1994), propulsat de un motor cu ardere internă (pe benzină).
Acest vehicul este deținut de catre Jon Mauney. Modificările care au dus la transformarea într -un automobil electric: Motorul cu combustie internă a fost înlocuit cu un motor de curent alternativ;
82
Ansamblul ambreiajului a fost scos împreună cu toba de eșapament, catalizatorul și rezervorul autovehiculului; Transmisia manuală a rămas montată pe mași nă funcționând numai în treapta a II-a de viteză; Motorul de curent alternativ este comandat prin intermediul unui invertor (P=50 kW, Uin=300 V cc, Uies=240 V ca, trifazat);
Bateriile au fost așezate pe podeaua automobilului; 50 de baterii de 12 V plumb-acid conectate în serie câ te 25 pentru a avea Uin=300 V cc; Au fost adăugate motoare electrice pentru: pompa de apa, servodirecție, aer condiționat; Schimbătorul de viteze de la transmisia manuală a fost înlocuit cu un comutator, deghizat într-un schimbător automat pentru controlul mersului înainte și înapoi;
Un mic încălzitor electric a fost adăugat pentru a produce căldura; Un încărcător a fost adăugat pentru ca bateriile să poată fi reincarcate. Particularitatea acestui autovehicul constă în faptul că are 2 sisteme de 83
încarcare: unul normal de 120 V / 240 V și unul cu încărcare de la paleta magnetică inductivă;
Indicatorul de carburant a fost înlocuit de un voltmetru;
84
Specificațiile tehnice ale autovehiculului construit: - autonomie: 80 km; - accelerație: 0 – 100 km/h în 15 secunde; - consum la reîncărcare: 12kWh; - greutatea bateriilor: 500 kg; - durata de viață a bateriilor: 3 ani. Pentru a compara costul pe o mila, dintre un autovehicul electric și unul pe carburant, iată un exemplu: energia electrică în Carolina de Nord este 8 cenți/kWh pe timpul zilei și 4 cenți/kWh pe timpul nopții. Înseamnă că pentru o reîncărcare completă costul este de 1 $ ziua și 50 cenți noaptea. Prețul carburantului este de 1,2 $ pe galon și mașina merge 30 de mile cu un galon, atunci costul pe o milă este de 4 cenți. In dezavantajul autovehiculului electric stă costul ridicat al bateriilor (aproximativ 2000 $). Durata de viață a bateriilor este de 20000 de mile, ceea ce înseamnă 10 cenți pe milă. Tesla Roadster
85
Rapiditate De la 0 – 100 km/h în mai puțin de 4 secunde, cu o viteză de vârf de 200 km/h. Deoarece nu are ambreiaj, accelerația este foarte bună.Nu conteaza în ce treaptă de viteza te afli, accelerația este mereu instantanee. Autonomie Distanța depinde de stilul și condițiile de mers. In general este în jur de 400 km pe o încărcare (mers combinat: oraș + autostradă). Avantaje Reducerea dependenței de combustibil, zero emisii noxe, și un cost de mai puțin de 2 cenți pe o milă condusă. Multe zone ofer ă locuri de parcare speciale ca un privilegiu pentru automobilele electrice. Funcționare Un vehicul electric nu are o mecanică at ât de complexă ca unul ce folosește motor cu ardere internă. De exemplu: motorul în 4 timpi al unui automobil convențional are peste 100 de păr ți mobile, în comparație motorul de la Tesla Roadster are doar unul și anume rotorul. In concluzie, mașina transportă o greutate mai mică și are mai puține piese care se pot defecta în timp. Comparația nu se oprește numai la păr țile în mișcare, ci continuă cu consumul de ulei, filtre, ambreiaj, bujii, filtru de aer, pompă de apă, catalizator, toba de eșapament etc., toate aceste necesitând service. Toate aceste componente nefiind necesare unui autovehicul electric. Sistemul de stocare a energiei (ESS) Atunci când se dorește construirea unei mașini electrice foarte performante, cea mai mare provocare o reprezintă încă de la început, bateriile. Complexitatea lor este clar ă: sunt grele, scumpe și ofer ă o putere limitată. Are o calitate care eclipsează toate aceste dezavantaje: e curat din punct de vedere ecologic. Blocul de baterii de la Tesla Roadster, reprezintă cea mai mare inovație pe care au descoperito cei de la Tesla Motors, fiind cele mai avansate tipuri de baterii din lume, combină tehnologia bazată pe Litiu-Ion cu un bloc de baterii unic care prezintă mai multe straturi de izolație. Sunt ușoare, durabile, reciclabile și sunt capabile să dezvolte suficientă putere pentru a accelera autovehiculul de la 0 – 100 km/h în 3,9 secunde. Motor Multor oameni le este greu sa creadă că Tesla Roadster învinge la accelerație un Lamborghini, fiind propulsat de un motor electric de mărimea unui pepene verde. Mai important decât greutatea motorului este randamentul acestuia. Motoarele construite de Tesla Motors au o eficiență de 85 – 95 %. Transmisie Tesla Roadster are doar 2 viteze și îți permite să poți să conduci după bunul plac, indiferent dacă folosești treapta de viteză adecvata sau nu, deasemenea nu există pedală de ambreiaj. Odata cuplată în viteză din schimbător, invertorul comanda motorul. Sistemul Electronic de Comanda al motorului Majoritatea subsistemelor instalate pe Tesla Roadster sunt în totalitate comandate electronic sub supravegherea permanentă unui calculator de bord. Toată partea de comandă este integrată într-un DSP. El controlează cuplul motorului, reîncărcare, fr ânarea recuperativă și monitorizează tensiunea furnizată de baterii, turația motorului și temperatura. 86
Scuterul electric de la Honda
Deşi se vinde deja în Japonia, scuterul electric de la Honda nu -şi va face apariţia în Europa decât anul viitor. Chiar dacă în prezent nu mai ţine piept celorlalţi producători de vehicule electrică, Honda îşi respectă tradiţia şi vine din nou cu o serie de inovaţii, de această dată pe 2 roţi. După ce, în 1997, Honda a lansat EV Plus, prima maşină electrică de serie din lume, a urmat modelul Insight, motocicleta hibridă CG 150 Titan Mix şi scuterul PCX 125 cu sistem Stop and Start. Mai precis, Honda a făcut ceva istorie în ca drul vehiculelor "verzi". Iar ultima născocire este scuterul complet electric ce va ajunge şi în Europa. EV -neo împarte câteva materiale compozite şi echipamente cu maşina Insight hibridă.
Scuterul primeşte un motor pe curent continuu ce permite o putere relativ mare la turaţie mică. Are un ambreiaj automat de tip centrifugal, aşa cum regăsim pe majoritatea scuterelor cu motor termic. În plus, motoreta electrică de la Honda mai are un sistem de frânare regenerator: adică atunci când pilotul lasa mai moale acceleraţia, bateria de 907 Wh se încarcă. Bateria este de 72 V şi are un amperaj de 12,6 Ah. Cadrul lui EV -neo favorizează incastrarea acumulatorului în partea de jos, ceea ce contribuie la un centru de gravitate jos. Sistemul de încărcare este prin intermediul unui cablu cu două mufe speciale: unul pentru priză, altul pentru mufa de pe scuter situată în partea stângă. Încărcătorul este uşor de transportat şi încape lejer sub şaua motoretei. Momentan, Honda nu a făcut publică o dată a lansării lui EV -neo în Europa. Însă concurenţi precum Yamaha EC -03, Matra E-mo, Peugeot e-vivacity, ar trebui să grăbească compania "înaripată" cu vânzarea. Honda EV -neo Putere: 2,8 kw la 5000 tr/min Cuplu: 11 Nm la 2000 tr/min Cadru: deschis cu ţevi de oţel Suspensie faţă: furcă telescopică Suspensie spate: amortizor simplu Frana faţă: Tambur 130 mm Frana spate: Tambur 130 mm Anvelopa faţă: 90/90x12 Anvelopa spate: 100/80x12 Înălţime sa: 756 mm Greutate: 106 kg
87
3.8 Comparație î ntre automobile electrice ESCOMOTO
Specificatii tehnice:
Cadru din oțel + fibr ă de sticlă Caroseria: Tracțiune roți față Tip tractiune: Sistem franare hidraulic pe disc pentru cele 4 roti 380kg (fara baterie) Greutate neta: 70 km/h(poate fi restrictionata sub 40 km/h) Viteza maxima: <6m Distanta de franare: 120 km Autonomie: Timp de incarcare: <= 10 h Frana de parcare: frana de mana pe rotile din spate Controlul vitezei: Control prin pedala /automat 72V AC 6.5 kw (motor sincron trifazat fara perii) Motor: Sistem electric: 12V DC 72V 25A(CE) Incarcator: 72V Comanda: 12V 120 AH * 6 plumb-acid Baterie: baterie plumb-acid Tip baterie: Greutatea bateriei: 200 kg reincarcare pana la 500 de ori Viata bateriei: suspensie independenta pe cele 4 roti Sistemul de suspensii: Sistem de directie: cu cremaliera
88
Tesla Roadster
Specificatii tehnice: 2 locuri, decapotabila, tractiune spate; Stil: Autonomie: 400 km; Viteza maxima: 200 km/h; Durata de viata a bateriilor: 100000 mile; Timp de incarcare: 3,5 h; Tip baterie: Litiu-Ion; Acceleratie: 0 – 100 km/h sub 4 secunde; Frane: pe disc cu ABS la fiecare roata; Motor: trifazat, 4 poli, 185 kW, turatie maxima 13000 rpm, franare recuperativa; Greutate totala: 1000 kg. Pretul de baza: 98000 $
89
Honda EV +
Specificatii tehnice: Motor: cc fara perii; Putere: 49 kW; Cuplu: 275 Nm; 8750 rpm; Turatie maxima: Tensiune: 288 V; Nr. Locuri: 4; Baterie: 12 V NiMH; Nr. Baterii: 24; Incarcator: Uin=110/220 V ca , Pies=1,1/4,2 kW; Timp de incarcare: 6 – 8 h (220 V); Transmisie: o singura viteza; Autonomie: 200 km; Acceleratie: 0 – 50 km/h in 4,9 secunde; 0 – 100 km/h in 17,7 secunde; Viteza maxima: 140 km/h
90
Wrightspeed X1
Specificatii tehnice: Motor: trifazat de ca; Putere: 176 kW sau 236 CP; Turatie maxima: 13300 rpm; Greutate: 700 kg; Transmisie: o singura treapta de viteza, fara ambreiaj; Acceleratie: 0 – 100 km/h in 3 secunde; Viteza maxima: 180 km/h (limitata electronic); Autonomie: 160 km (in mediu urban); Incarcator: Uin= 100 – 250 V la 50 sau 60 Hz si curentul ajustabil pana la 80 A; Timp de incarcare: 1,25 h la un curent de 80 A.
91
Ventui Fetish
Specificatii tehnice: Motor: trifazat de ca; Putere: 180 kW; Transmisie: o singura treapta de viteza, fara ambreiaj; Acceleratie: 0 – 100 km/h in 3 secunde; Viteza maxima: 160 km (limitata); Autonomie: 250 km; Durata de viata a bateriilor: peste 2000 de reincarcari; Timp de reincarcare: 3 – 4 h; Tipuri de franare: frane pe disc (ventilate pe fata si normale pe spate) si franare recuperativa cu aportul energiei recuperate in baterii; Greutatea bateriilor: 248 kg; Greutatea totala: 980 kg; Caroserie: fibra de carbon.
92
Tabel comparativ automobile electrice:
Putere
Tip
[kW]
motor
ESCOMOTO
6,5
HONDA EV+
Nume
Acceleratie 0
Viteza
– 100 maxima
Autonomie [km]
Timp
incarcare
km/h [s]
[km/h]
Mcc
-
70
120
< 10
49
Mcc
17,7
140
200
6 – 8
50
MAS
15
150
80
6 – 7
Tesla Roadster
185
MAS
3,9
200
400
3,5
Venturi Fetish
180
MAS
3
160
250
3 – 4
Wrightspeed X1
176
MAS
3
180
160
1,5
Chevrolet
Geo
Prism 1994 EV
93
de
[h]
Bibliografie
1.
*** Control of Hybrid Electrical Vehicles. Disponibil la:
https://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:9J90lZ4MeUIJ:www.intechopen.com/downloa d/pdf/pdfs_id/19573+vehicule+electrice+hibride+gheorghe+livint&hl=ro&gl=ro&pid=bl&src id=ADGEEShkR3L5ktmoo7iBmZiNo5SjIco2S2_u0tSml9a8A_XX3VR0crbUW63nANcO1kL457sLUEIfLYK H2Vo-wxpbBQFR-JYxaX4hGqoPCmcQj1buF2dvrzH9nokaHZsHQ7FxJPdVu4&sig=AHIEtbTbJTLELJ5ywXuX6qlt3oHZwhg3YA. Accesat la data de 15.06.2012 2.
Gheorhe Livinț, Radu Gaiginschi, Vasile Horga, Radu Drosescu, Mihai Albu, Marcel Rățoi, Ion Damian, Marian Petrescu. “Vehicule electrice hibride”. Casa de Editură Venus, Iași 2006.
3. ***Hybrid Synergy Drive®. Disponibil la: http://www.toyota.ro/innovation/technology/engines/hsd.tmex. Accesat la data de 02.06.2012. 4. *** Mașini Hibrid-PRIUS.pdf. Disponibil la: https://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:n5q87FOr-MUJ:www.masiniusa.com/pdf/Masini%2520Hibrid%2520%2520PRIUS.pdf+vehicule+electrice+hibride&hl=ro&gl=ro&pid=bl&srcid=ADGEESjmEb2 ZpGY8Eb1bHcvVMwR9bFjZNROHHGtI0EmEd3eMtojZ6Lo4b_7PKH9Lgne92nDle3ZQ18 1PW0XspV8HJltu6Ifhcy4Zq_46jXoZpXpbafqySl8sw_Ojnap4P19cuEqCuJzx&sig=AHIEtbR -ouHZRDGxn_Q0ghPWB5GnE4RDiA. Accesat la data de 12.06.2012 5. Oprean, M., Andreescu, Cr. şi Dobrescu, B. „Unele probleme ale automobilului la început de mileniu”. Revista Inginerilor de Automobile, nr. 1, 1999, p. 35 -47 6. *** Propulsie hibrid. Disponibil la: http://www.business24.ro/articole/propulsie+hibrid. Accesat la data de: 10.03.2012. 7. *** The Future of Hybrid Vehicles. Disponibil la: https://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:nniIRMdma7sJ:www.ifpenergiesnouvelles.co m/content/download/56071/1266071/version/3/file/IFP-Panorama05_08VehiculesHybridesVA.pdf+masini+hibride+semiparalel&hl=ro&gl=ro&pid=bl&srcid=ADG EESiV9NUA9gBE01Qmjf8Oo_fnP1hxKWp8IvaxSerYf1i1a3W860XGIsMWZfzDKjRV5ktl YZcKIH_Byxqqvq-tNyv9YNe3UBwyoD783PfSEistTcR8. *** Toyota. Disponibil la: http://www.scribd.com/doc/61991762/TOYOTA. Accesat la data de: 09.06.2012. 9. *** Toyota Hybrid Synergy Drive. Disponibil la: 94
