AUTOTURISM HIBRID Ideea propulsării unui automobil prin intermediul unui motor termic, a unui motor electric şi a unui ansamblu de baterii nu este nouă. În 1902, compania KRIEGER din Paris a comercializat un autoturism echipat cu un motor termic cu ardere internă ce antrena un generator electric. La început de secol, când lupta între motorul termic şi motorul electric nu era clar câştigată de nici unul, în SUA existau câteva modele cu motorizare hibridă. În acea perioadă motorul cu aprindere prin scânteie dispunea de puteri reduse şi oferea automobilului performanţe dinamice modeste. Motorul electric ce venea să completeze această lipsă era utilizat în faza de demarare, perioadă după care propulsia era asigurată numai de motorul termic. După optimizarea performanţelor motoarelor cu ardere internă prezenţa motorului electric a devenit inutilă. În cursul anilor ’70 când a apărut necesitatea reducerii consumului de combustibil şi a emisiilor poluante, ideea motorizării hibride a fost reconsiderată şi a cunoscut al doilea avânt de dezvoltare. Depăşirea crizei energetice şi aplicarea noilor tehnologii impuse de aceasta au făcut ca propulsia hibridă să rămână la nivelul modelelor experimentale. Cercetările în domeniul propulsiei hibride s-au materializat în producţie de serie abia la sfârşitul anilor ’90 . În anul 1990, Guvernul statului California, printr-un organism legat de Ministerul Mediului, numit CARB (California Air Resources Board), a adoptat o legislaţie radicală: în 1998, două procente din vehiculele vândute de cei şapte mari constructori trebuie să fie ZEV (Zero Emission Vehicles). Acest obiectiv nu a fost atins; fiind considerat prea sever, CARB a amânat intrarea în vigoare în 2003, crescând totodată pentru acest an procentul la 10%. Pentru a răspunde noilor restricţii, fabricantii s-au unit în consorţii ce le puteau concentra eforturile financiare şi tehnologice. Cu toate acestea, atât în SUA cât şi în Europa şi Japonia vehiculul electric zero poluant era încă departe de a putea fi lansat în producţie de masă. ; aceasta în special datorită preţului, autonomiei şi perioadei lungi de realimentare. După 1996 sub presiunea fabricanţilor CARB şi-a modificat strategia dând naştere şi altor categorii de vehicule: TLEV (Transitional Low-Emission Vehicle), LEV (Low-Emission Vehicle) şi ULEV (Ultra -Low-Emission Vehicle). Automobilele cu propulsie hibridă dezvoltate în acestă a treia etapă se încadrează în categoria LEV când sunt propulsate de motorul termic, ULEV în anumite perioade când motorul electric conlucrează optim cu motorul termic şi transmisia cu variaţie continuă (CVT)şi ZEV când propulsia este asigurată numai pe cale electrică. Sistemele de propulsie care au în componenţa lor pe lângă un sistem convenţional cu motor cu ardere internă încă cel puţin unul capabil să fumizeze cuplu de tracţiune la roţile automobilului, pe de o parte, şi să recupereze o parte din energia cinetică, în fazele de decelerare, pe de altă parte, sunt cunoscute sub denumirea de transmisii hibride. Cel mai frecvent, cel de-al doilea sistem este unul electric, dar poare fi şi hidraulic sau pneumatic. Cea de-a doua caracteristică importantă a sistemelor hibride de propulsie este aceea că necesită cel puţin două sisteme de stocare a energiei. Primul, şi cel mai cunoscut, este rezervorul de combustibil, în care energia este stocată într-o formă foarte concentrată, iar în cel de-al doilea energia poate fi extrasă dar şi acumulată, în funcţie de cerinţele automobilului. Cele mai potrivite sunt bateriile electrice, dar şi supercondensatorii, acumulatorii cinetici sau hidraulici. Un acumulator deosebit de
avantajos îl constituie bateriile de mare putere pe bază de litiu, care au o capacitate moderată de stocare şi o durată de viaţă excepţională. Datorită posibilităţii de stocare a energiei există trei modalităţi de utilizare a acesteia pe automobil: 1. Funcţionarea motorului cu ardere internă la regimul cel mai economic; 2. Întreruperea funcţionării motorului termic, atunci când nu este necesară energia fumizată de acesta (la stop sau atunci când ar trebui să funcţioneze la sarcini foarte mici); 3. Stocarea şi reutilizarea energiei de frânare. în funcţie de modalitatea de transmitere a puterii la roţile automobilului se pot identifica douâ familii de transmisii hibride - HEV {Hybrid Electric Vehicle) : • Transmisii hibride la care motorul termic este asistat de o maşină electrică; • Transmisii hibride la care punţile sunt acţionate de către un motor electric alimentat de un generator electric. De asemenea, în funcţie de modalitatea de interconectare a motoarelor electrice şi a motorului termic se disting două configuraţii hibride de bază: • Transmisii hibride paralele, la care ambele surse de putere - motorul termic şi maşina electrică - sunt conectate la roţile motoare prin intermediul unor legături mecanice adecvate. Motorul termic şi maşina electrică pot acţiona punţile motoare simultan sau individual, separat (o punte) sau împreună (ambele punţi), ele putând fi cuplate între ele. • Transmisii hibride serie, la care numai motoarele electrice sunt conectate la roţile motoare, motorul termic acţionând generatorul ce alimentează motoarele electrice prin intermediul conectorilor electrici. Indiferent de configuraţie, elementele componente fundamentale sunt aceleaşi: - motorul termic, maşinile electrice, convertoarele electronice de putere şi sistemele electrice de stocare a energiei. Prin interconectarea adecvată a acestor componente (ambreiaje, curele, lanţuri, transmisii planetare şi articulaţii cardanice), există posibilitatea realizării unor transmisii hibride capabile să se comporte atât serie, cât şi paralel, fie altemativ (combined hybrids), fîe simultan (mixed hybrids).
Fig. 1. Clasificarea transmisiilor hibride.
Transmisiile hibride mixte, denumite şi cu ramificare de putere (split hybrid), utilizează sisteme electromecanice sau electromagnetice pentru a controla optim ramificarea puterii de la sursă şi transmiterea ei roţilor motoare în funcţie de cerinţele de tracţiune şi de performanţele dorite. Cele mai reprezentative configuraţii ale sistemelor hibride de tracţiune sunt prezentate în fig. 2. Fiecare variantă poate fî o soluţie care să satisfacă cele mai exigente cerinţe de protecţie a mediului, dar şi pentru a satisface pretenţiile de dinamicitate, cost şi calitate. Criteriile de selectare a unei transmisii hibride sunt determinate de mai multe aspecte: • Scopul urmărit (performanţe de tracţiune, mobilitate şi exploatabilitate fără limite); • Cerinţele standardelor în vigoare (emisiile de noxe şi de CO;, reciclabilitate şi compatibilitate cu mediul); • Cerinţele pieţei (costul ciclului de viaţă şi de întreţinere, infrastructura disponibilă); • Percepţia utilizatorului (confort, maniabilitate/dinamicitate). Atingerea unui singur ţel (de exemplu, emisii zero) nu trebuie să excludă alte aspecte importante pentru pătrunderea largă pe piaţă a acestor transmisii. De aceea o alterntivă la producţia de masă a transmisiilor hibride o constituie ocuparea unei „nişe" din piaţă, prin adoptarea unor tehnologii sofisticate şi scumpe, dar deosebit de necesare pentru anumite utilizări adecvate, iar funcţionarea cu emisii zero necesită capacitate mare de stocare a energiei electrice, ceea ce implică baterii mari şi scumpe. La transmisiile hibride paralele, puterea la roată poate fi furnizată simultan sau separat de către cele două surse de putere. Sistemul asigură automobilului performanţe apropiate de sistemul convenţional cu motor termic, fig. 3.
Fig. 3. Schema transmisiei hibride paralele.
Particularităţile sistemului hibrid paralel sunt următoarele: • Antrenarea cu motorul cu ardere internă şi cu cel electric se face în paralel; • Se foloseşte numai o singură maşină electrică reversibilă (turaţii joase, cuplu de demarare mare); • însumarea puterii de la cei doi arbori de antrenare; • Este necesară cutia de viteze mecanică; • Bateria poate fî încărcată atât de către motorul cu ardere internă, când funcţionează la sarcini parţiale, cât şi de către maşina electrică, în regimurile de decelerare ale automobilului. Transmisiile hibride paralele sunt mult mai flexibile din punct de vedere al modului de utilizare. Puterea şi dimensiunea maşinii electrice pot fi astfel alese încât să se asigure un bun compromis între cost/complexitate şi eficienţă (consum de combustibil, poluare). Optimizarea motorului cu ardere internă poate aduce avantaje suplimentare, dar aceasta nu constituie prima prioritate. Performanţele şi funcţiile pot fi îmbunătăţite gradual, în funcţie de creşterea puterii electrice pe automobil (36 V) şi de puterea sistemelor auxiliare (aer condiţionat, încălzirea catalizatorului, supape de control, comenzi prin fir - by wire).
În cazul transmisiilor hibride paralele, există o multitudine de variante de dispunere a motorului electric în raport cu motorul termic, ambreiajul şi cutia de viteze, fîg. 4 . Alegerea soluţiei optime depinde de tipul vehiculului şi de cerinţele transmisiei hibride. Combinaţia dintre im motor electric şi o cutie de viteze cu variaţie continuă a rapoartelor de transmitere permite realizarea unei construcţii compacte cu densitate mare de putere, prin utilizarea motoarelor electrice sincrone cu magneţi permanenţi.
P1
P2
P3
P4 Fig. 4. Variante ale transmisiei hibride paralele. Sistemele hibride simple au în componenţă o maşină electrică legată printr-o curea cu arborele cotit - BSG (Belt Starter Generator). Maşina electrică preia şi funcţiile de altemator şi de demaror, dar are o putere mai mare, fig. 4. Varianta P3 este una dintre cele mai performante, în care cele două maşini electrice suplinesc hidrotransformatorul unei transmisii automate. Dezavantajul constă în costul ridicat al celor două maşini electrice. Principalele regimuri caracteristice de funcţionare ale unei transmisii hibride paralele pentru autoturisme sunt următoarele: • La staţionarea la semafor, toate sistemele sunt oprite automat;
• La demararea de la semafor, propulsia este electrică, de la baterii; • La demaraje puternice, motorul termic va fi pornit şi pus în sarcină automat; • La circulaţia urbană cu viteză constantă, tracţiunea este electricâ; • La decelerare, motorul termic este oprit, iar maşina electrică funcţionează ca generator şi încarcă bateriile; • La viteze de deplasare mari, funcţionează numai motorul termic. În fig. 5 se evidenţiază posibilităţile de economisire a energiei în funcţie de nivelul de hibridizare. Utilizarea doar a sistemului oprire/pomire (stop&go) permite o economie de circa 5-7%. 0 reducere suplimentară de 5-9% este posibilă prin optimizarea regimurilor de funcţionare a motorului termic. Recuperarea energiei de frânare atrage o economie de încă 5-9%. Se apreciază că, în ciclul NEDC, există un potenţial total de economicitate cuprins între 15 şi 25%. Economia de combustibil realizabilă şi costurile pe care le implică utilizarea diferitelor variante de hibridizare, unele aflate deja în producţie, iar altele în faza de cercetare şi testare. 0 realizare remarcabilă o constituie automobilul Smart Hyper de la Daimler- Chrysler. Aplicând schema de hibridizare P3 (fig.4), utilizând o maşină electrică în stare să asigure 8 kW la funcţionarea continuâ şi 25 kW la funcţionarea intermitentă şi baterii NiMH cu capacitatea de 0,94 kWh, în greutate de 75 kg, se realizează un consum de 2,9 1/100 km, în ciclul NEDC. Transmisia hibridă paralelă cu stocarea cinetică a energiei de frânare Stocarea energiei se poate face atât în acumulatori electrici, cât şi în acumulatori electromecanici. Acumulatorul electromecanic sau electrocinetic este constituit dintr-un volant din material ceramic montat pe lagăre magnetice într-o carcasă vidată. Pe axul volantului se montează o maşină electrică reversibilă. La frânarea automobilului, motorul electric de tracţiune din punte funcţionează ca generator electric, alimentând cu curent electric maşina electrică de pe axul volantului. Aceasta, funcţionând în regim de motor electric, accelerează volantul imprimându-i o viteză de rotaţie mare, recuperând astfel o parte din energia cinetică a automobilului. în faza de accelerare a automobilului maşina electrică de pe axul volantului funcţionează în regim de generator electric, consumând din energia cinetică a acestuia. Curentul electric generat este utilizat în motorul electric din punte, pentru suttltflirea cuplului necesar accelerării automobilului, fig. 6.
Fig. 6. Acumulatorul electrocinetic.
Este bine ştiut că în zonele urbane consumul de combustibil al automobilelor creşte la scăderea vitezei de deplasare. Aceasta se datoreşte următoarelor cauze: • Scăderea randamentului motorului cu ardere internă la reducerea sarcinii, frecventă în ciclul urban; • Creşterea pierderilor de energie prin frânare, proporţional cu numărul de opriri. Utilizarea transmisiilor cu variaţie continuă (CVT) ar putea contribui la reducerea primului fel de pierderi. Este cunoscut faptul că la transmisiile mecanice cu roţi dinţate regimul de funcţionare a motorului este unic determinat, pentru o anumită treaptă de viteză şi pentru rezistenţe la înaintare precizate, la o anumită viteză de deplasare a automobilului. Arareori acest regim de funcţionare se confundă cu regimul economic, şi aceasta pentru intervale scurte de timp. în cazul utilizării transmisiilor cu variaţie continuă există posibilitatea adaptării rapoartelor de transmitere, astfel încât să se asigure funcţionarea motorului cu cele mai reduse consumuri de combustibil. Se poate defini o caracteristică de funcţionare economică (economy line) şi una sau mai multe sportive {drivebility line), fig. 7. Cuplul la plină sarcinâ Rezerva de cuplu
100 200 300 400 500 600 Viteza unghiulară [rad/s] Fig. 7. Caracteristicile economică şi sportivă de funcţionare ale unui motor de automobil. Se poate observa că la funcţionarea după caracteristica economică, întotdeauna rezerva de putere (produsul dintre rezerva de cuplu şi viteza unghiulară) este mai mică decât la funcţionarea după caracteristica sportivă. Astfel, pe caracteristica de putere la regim staţionar de 25 kW, rezerva de putere la regimul reprezentat de punctul B este de 4,5 ori mai mare decât cea de la regimul reprezentat de punctul A, dar consumul de combustibil este cu 12% mai mare. În cazul automobilelor cu porniri şi opriri frecvente (a doua cauză a pierderilor), ar fi potrivit un sistem de stocare a energiei recuperate în faza de frânare şi eliberată în faza de accelerare care urmează. Rezultă că, în funcţie de particularităţile ciclului urban de exploatare a automobilului, o combinaţie potrivită a unei CVT şi a unui sistem de stocare a energiei ar putea îmbunătăţii considerabil consumul de combustibil. În fig. 8s-a reprezentat configuraţia unui sistem de propulsie care are în componenţă o transmisie CVT Van Dorme şi un sistem mecanic cu volant de stocare a energiei cinetice. Prin cuplarea şi/sau decuplarea unor ambreiaje se poate modifica traseul
fluxului de putere prin transmisie. Astfel, se disting patru moduri posibile ale fluxului puterii, în funcţie de viteza de deplasare, accelerare (decelerare) şi viteza de rotaţie a volantului: viteză redusă, viteză mare, CVT şi încărcarea acumulatorului cinetic (volantului) .
Fig. 8. Schema fluxului puterii la transmisia hibridă cu acumulator cinetic. În fig. 9 s-au trasat variaţiile turaţiilor volantului, arborelui cotit şi a arborelui secundar al transmisiei, în funcţie de viteza automobilului. Este evident că, datorită turaţiei mari (19 000 rot/min), volantul se află în vid (presiunea sub 10 mbar).
Fig. 9. Variaţia turaţiilor volantului, arborelui cotit şi arborelui secundar al transmisiei. Calculele privind economia de combustibil în circulaţia urbană s-au efectuat pe baza următoarelor date iniţiale: • MAS de 1,4 1, cu injecţie de benzină în poarta supapei, puterea maximă de 47 kW la 5500 rot/min; • Capacitatea de stocare a acumulatorului cinetic: 240 Wh; • Masa proprie a automobilului de 1 300 kg; • Factorul aerodinamic 0,80 m2; • Coefîcientul rezistenţei la rulare/= 0,012; • Randamentul transmisiei CVT variază înjurul valorii de 90%, în funcţie de cuplu şi raportul de transmitere; • Randamentul total al transmisiei cuprins între 70 şi 90%. Reducerea de consum de combustibil înregistrată a fost de 20-30%, comparativ cu transmisia mecanică convenţională cu 5 trepte, în funcţie de caracteristicile ciclului. Se pot enunţa două cerinţe de bază pentru sistemele cu stocare cinetică a energiei: • Un acumulator de energie ideal trebuie să fie infinit de mic şi să aibă greutatea de zero kg; • Sistemul de transmitere a puterii să fîe flexibil, pentru a putea satisface cerinţele de performanţă în condiţiile dificile de exploatare a automobilului. 0 realizare remarcabilă o constituie utilizarea unui acumulator electromecanic de stocare a energiei cinetice la autobuzele urbane - EMAFER - Electro-Mechanical Accumulator for Energy Reuse . Comparativ cu un sistem pur mecanic, sistemul electromecanic ar putea permite transmiterea optimă a puterii în funcţie de comenzile conducătorului, caracteristicile drumului şi încărcarea automobilului. Mai mult, creşterea vitezei de rotaţie a volantului va permite scăderea dimensiunilor, făcându-le mai potrivite aplicaţiilor curente.
Un caz reprezentativ îl reprezintă autobuzul destinat circulaţiei urbane olandeze prevăzut cu sistemul EMAFER, fîg. 10. Acumulator electroromecanic
Echipamente auxiliare Fig. 10. Schema transmisiei autobuzului cu sistemul EMAFER. Sistemul de propulsie este compus din următoarele subsisteme: 1. Un grop motor cu ardere internă nepoluant şi generator electric. Generatorul electric asigură energia necesară propulsiei pentru regimurile medii. Ansamblul constă dintr-un motor cu ardere intemă, funcţionând cu gaz petrolier lichefiat (LPG) (2,8 1, injecţie multipunct), cuplat direct cu un generator electric. Motorul termic funcţionează la regimurile optime din punct de vedere al consumului de combustibil şi al emisiilor poluante. Dacă nu este nevoie de energie pentru antrenarea volantului, atunci motorul este oprit. în programul de simulare, motorul termic funcţionează la o putere medie de 55 kW, la turaţia de 3 500 rot/min; 2. Un sistem de tracţiune electrică constituit dintr-un motor electric convenţional de curent continuu (660 V, 124 kW). Acesta funcţionează ca motor în perioada accelerării şi ca generator în fazele de frânare; 3. Un sistem electromecanic cu volant pentru stocarea energiei cinetice. Componenta cheie în sistemul de propulsie este sistemul EMAFER, fig. 11, realizat de CCM (Institut independent de R&D din Olanda). Acesta cuprinde o unitate motor/ generator cu volant de mare viteză, cu performanţe ridicate referitoare la stocarea energiei, puterea de încărcare şi descărcare, randament şi durată de viaţă. Rotorul volantului este montat pe lagăre magnetice în vid. Accelerarea volantului se face de către maşina electrică reversibilă realizată pe axul volantului. Energia electrică produsă de maşina de tracţiune în timpul frânării automobilului este utilizată pentru acţionarea motorului de pe axul volantului şi deci la mărirea vitezei de rotaţie a acestuia din urmă. La pornirea din loc a automobilului energia cinetică a volantului este consumată pentru producerea de energie electrică în maşina electrică de pe rotorul acestuia şi utilizată pentru a suplimenta acţionarea motorului electric de tracţiune al automobilului. Principalele caracteristici ale sistemului sunt: • dimensiuni de gabarit aproximativ 1 m3; • masa totală aproximativ 780 kg; • turaţii de funcţionare cuprinse între 7 500 - 15 000 rot/min; • capacitatea de stocare a energiei de 4 kWh; • puterea (continuă) 300 kW;
• randamentul transformării 92%; • durata de viaţă 107 cicluri de încărcare.
Fig. 11. Acumulatorul electrocinetic EMAFER. Pentru volant s-au folosit materiale compozite, iar pentru motor/generator, sistem sincron cu magneţi permanenţi. 4. Transmisia electronică. Fluxurile de putere între generatorul electric, volant, maşina de tracţiune şi necesităţile echipamentelor auxiliare sunt comandate de transmisia cu comandă electronică. 0 unitate de control formează interfaţa între conducător şi transmisia electronică. La accelerare motorul electric de tracţiune poate prelua putere de la sistemul de stocare cu volant şi de la generatorul electric, în timp ce la frânare puterea poate fi recuperată şi stocată în acest sistem. Energia necesară pentru instalaţiile auxiliare şi pentru compensarea pierderilor este asigurată de la generatorul electric. În simularea ciclului urban olandez de testare pentru autobuze a rezultat că puterea medie pe care ar trebui să o fumizeze motorul termic ar fi de circa 30 kW, la o masă totală a autobuzului de 14 500 kg. Această putere medie se obţine prin comutarea regimului de lucru al motorului termic între starea de funcţionare la regimul economic (puterea de 50 kW la turaţia de 3 500 rot/min) şi starea oprit. Rezultatele simulării pentru un parcurs de 90 000 km (circa un an de utilizare). Un avantaj suplimentar constă în aceea că transmisia complet electronică este uşor programabilă, oferind variate posibilităţi de a satisface cerinţele de tracţiune. Mai mult, atunci când se impun viteze de deplasare mai mari, transmisia convenţională CVT constituie un partener ideal pentru maşinile de tracţiune electrice datorită dependenţei specifice cuplu-turaţie: cuplu constant până la turaţia de 3 000 rot/min şi putere constantă la turaţii mai mari. Această dependenţă poate fi uşor modificată prin utilizarea transmisiei CVT cu curea metalică. Din cele prezentate rezultă ca reducerea importantă a consumului de combustibil se realizează prin: - tehnologia CVT (mecanică şi electrică); - stocarea energiei (cinetică prin volanţi); - controlul electronic al ansamblului de propulsie. Tehnologia CVT este necesară pentru a permite motorului să funcţioneze la regimul economic optim. Sistemul de stocare a energiei permite reutilizarea energiei recuperate în timpul frânării. Controlul electronic este necesar pentru asigurarea funcţionării optime a tuturor componentelor în condiţiile variabile de deplasare, îndeosebi la circulaţia urbană.
Potenţialul de economicitate estimat al soluţiilor tehnice preconizate este prezentat în tabelul de mai jos. Sistemul transmisiei Starea Reducerea consumului în [%] Transmisia automată cu 4 trepte Referinţă 0 CVT(1994) încercări de drum -5 CVT (electronic) Prototip -15 CVT + volant (mecanic) Experiment -25 CVT(el) + volant (electro-mecanic) Simulare pe calculator -35 Sistemul transmisiei
Starea
Transmisia automată cu 4 trepte
Referinţă
CVT(1994) CVT (electronic) CVT + volant (mecanic) CVT(el) + volant (electromecanic)
Reducerea consumului în [%]
încercări de drum
0 s -5
Prototip
-15
Experiment
-25
Simulare pe calculator
-35
Transmisiile hibride mixte combină aspectele pozitive atât ale transmisiei serie, cât şi ale celei paralele, evitând supradimensionarea şi costurile confîguraţiei serie. Aceste sisteme permit obţinerea unor performanţe ridicate, maniabilitate şi gestionare optimă a energiei disponibile, dar complexitatea şi tensiunea mare a bateriilor necesită maşini electrice cu performanţe ridicate, iar costurile le fac, deocamdată, incompatibile cu producţia de masă. La transmisiile hibride mixte (Split-Hybrid) este posibil ca numai o parte din puterea mecanică să fie transmisă direct la roţi, cealaltă parte fiind transmisă prin sistemul electric. în acest fel există posibilitatea ca randamentul total al sistemului de propulsie să fie ridicat chiar şi la vitezele reduse de deplasare ale automobilului. Transmisia hibridâ de la Toyota 0 realizare excepţională în acest domeniu o constituie transmisia hibridă Toyota (Ţoyota Hybrid System - THS), lansată în 1997, pe modelul Prius. 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 funcţionarea permanentă a sistemului la regimul optim; 3) reducerea pierderilor de energie şi regenerarea acesteia. Automobilul Toyota Prius face parte din clasa compact. Performanţele maxime impuse au fost: V = 140 km/h, panta maximă de 30% (17 grade), panta maximă la viteza de 105 km/h de 5% (6 grade) şi aceeaşi pantă la viteza de 130 km/h cu motorul electric funcţionând pe caracteristica instantanee.
Fig. 12. Schema şi fluxul puterii în transmisia hibridă Toyota Prius. THS este constituită dintr-un mecanism planetar simplu, un generator electric montat pe arborele solarei şi un motor electric montat pe acelaşi arbore cu coroana. Arborele coroanei şi al motorului electric transmite mişcarea la roţile automobilului printr-o transmisie cu lanţ şi prin transmisia principală. Motorul cu ardere intemă transmite mişcarea direct platoului portsateliţi. Acesta, platoul portsateliţi, împarte cuplul de la motor în două: o parte este transmis, prin coroana mecanismului planetar, direct la puntea motoare, iar cealaltă parte, prin solara mecanismului planetar, la generatorul electric. Energia electrică produsă în generator este reconvertită în energie mecanică de către motorul electric şi, acesta fiind pe acelaşi arbore cu coroana, transmisă punţii motoare. Motorul şi generatorul electric sunt maşini electrice reversibile de curent altemativ, sincrone, cu magneţi permanenţi. Motorul electric ajută motorul termic în fazele de demarare, asigurând accelerarea lină şi puternică a automobilului. Suplimentar, în fazele de decelerare, motorul electric funcţionează ca generator electric, asigurând transformarea energiei cinetice a automobilului m energie electrică, aceasta fiind stocată în baterii. Generatorul electric produce energie electrică pentru acţionarea motorului electric sau pentru încărcarea bateriilor. Prin reglarea turaţiei generatorului, se controlează atât cantitatea de energie electrică produsă, cât şi raportul de divizare a puterii în mecanismul planetar. Generatorul serveşte, totodată, ca demaror pentru pornirea motorului termic. În structura transmisiei se află şi un dispozitiv (invertor) care transformă curentul alternativ, de la generator sau de la motorul electric, atunci când funcţionează ca generator în fazele de regenerare, în curent continuu, pentru a stoca energia electrică în baterii şi, invers, pentru a alimenta motorul electric în tracţiune sau generatorul când funcţionează ca demaror. Motorul cu ardere internă folosit este un motor cu aprindere prin scânteie de 1,5 1, cu raport de destindere mărit (13,5), raport de comprimare variabil (4,8 - 9,3) şi distribuţie variabilă inteligentă (WT-i).
Schema sistemului regenerativ de frânare este prezentată în fîg. 13. Atunci când automobilul încetineşte, fie prin frână de motor, fie prin acţionarea sistemului de frânare, motorul electric lucrează ca generator electric şi transformă energia cinetică în energie electrică pe care o stochează în baterii. Acest sistem regenerativ de frânare este util în cazul frânărilor şi accelerărilor repetate, caracteristic deplasărilor în zonele aglomerate şi urbane. Atunci când şoferul acţionează pedala de frână atât sistemul de frânare, cât şi sistemul regenerativ de frânare sunt astfel comandate, încât să se asigure regenerarea maximă a energiei.
Fig. 13. Sistemul de frânare regenerativ.
Timpul Fig. 14. Caracteristicile forţei de frânare.
Funcţionarea motorului termic, a generatorului şi a motorului electric este schematizată în fig. 15.
Fig. 15. Regimurile de funcţionare a motomlui termic şi ale maşinilor electrice. Liniile verticale reprezintă turaţiile celor trei arbori ai mecanismului planetar (turaţia platoului port-sateliţi = turaţia arborelui cotit, turaţia solarei = turaţia generatorului, turaţia coroanei = turaţia motorului electric). Când automobilul este oprit turaţiile celor trei arbori sunt zero (A). Generatorul acţionează ca un demaror pentru pornirea motorului termic. După pornirea motorului termic generatorul începe să producă energie electrică şi astfel poate fi acţionat motorul electric şi automobilul poate demara (B). în condiţii normale de funcţionare motorul termic poate fumiza putere suficientă pentru a nu fi nevoie să se genereze şi energie electrică (C). În cazul în care este nevoie de o sporire rapidă a vitezei, la o anumită viteză de deplasare, concomitent cu accelerarea motorul termic se măreşte şi turaţia generatorului, producându-se mai multă electricitate, astfel încât motorul electric poate să fumizeze putere suplimentară la puntea motoare (D).
Fig. 16. Structura de comandă a transmisiei hibride i2-CVT. În modul electric de propulsie, CVT permite, pe de o parte, utilizarea optimă a motorului electric (randament ridicat - turaţie mare şi cuplu redus, dimensiune mică, stocarea energiei cinetice în rotor) şi, pe de alta, evitarea domeniilor nefavorabile de funcţionare. CVT transformă cuplul micului motor electric într-un cuplu mult mai mare la
roată, comparativ cu sistemul hibrid paralel cu transmisie convenţională. Astfel motorul electric cu o putere nominală de 8 kW asigurâ un cuplu la roată de aproximativ 1 600 Nm încă de la viteza de 4 km/h. Aceasta înseamnă un cuplu de circa 15 ori mai mare decât la transmisia manuală convenţională. Sistemul permite recuperarea energiei de frânare în două moduri. Primul constă în stocarea acesteia în energie cinetică de rotaţie a rotorului motorului electric. Această energie cinetică poate fi reutilizată, numai în perioade scurte de timp, la reaccelerarea automobilului prin controlul adaptiv al CVT. Al doilea mod constă în utilizarea energiei cinetice a automobilului pentru încărcarea bateriei. Motorul electric preia energia de la baterie, care se încarcă atunci când maşina electrică funcţionează ca generator electric antrenată de motorul termic, atunci când acesta (motorul termic) este subîncărcat sau când se deplasează în regim de supraviteză. încărcarea bateriei de la reţea nu este necesară în condiţii normale de funcţionare, dar, după o staţionare îndelungată sau la utilizarea automobilului exclusiv în modul electric, este posibilă. Aşa după cum se vede transmisia hibridâ autarhică este comandată în funcţie de cuplu. Valoarea nominală este determinată de poziţia pedalei de acceleraţie şi comparată cu valoarea reală măsurată la arborii planetari. Rezultatul acestei comparaţii, combinată cu viteza reală de deplasare, conduce la calcularea parametrilor setaţi prin unitatea centrală de comandă. în final valorile acestor parametri sunt transmise elementelor componente prin CAN (ControllerArea Network). Noutatea acestei transmisii constă în utilizarea transmisiei continue cu gamă extinsă de variere a rapoartelor de transmitere, numită i^CVT. Această transmisie utilizează întreaga gamă de variaţie a rapoartelor de transmitere a transmisiei continue de două ori, schimbând sensul de transmitere a cuplului de la valoarea maximă, în domeniul vitezelor reduse (VI), la valoarea minimă, în domeniul vitezelor mari (V2), fâră a schimba raportul total al transmisiei sau poziţia curelei. Transmiterea puterii este posibilă chiar şi în timpul cuplărilor. Acest proces poate fi realizat deoarece se utilizează două ambreiaje multidisc şi două cuplaje dinţate cu sincronizatoare standard cu cuplare controlată. Soluţiile prezentate mai sus demonstrează faptul că ţinta propusă de Parlamentul European, referitoare la consumul de combustibil, respectiv emisia de bioxid de carbon, poate fi atinsă mult mai repede decât s-a preconizat, evidenţiindu-se resurse importante pentru realizări şi mai spectaculoase.
Fig. 17. Potenţialul de economicitate al transmisiilor de putere.
Automobilul zilelor noastre, diferit de cel clasic nu numai prin soluţiile tehnice de mare rafinament utilizate, de neimaginat cu doar câţiva ani înainte, cât mai ales prin arhitectura sistemului electronic de control şi de conducere, este un sistem complex multivariabil, format din mai multe subsisteme interconectate. Această complexitate deosebită a fâcut improprie conducerea centralizată a sistemului autovehicul, din cauza multitudinii de bucle de reacţie, a neliniarităţilor şi a altor factori. Cum nici conducerea descentralizată nu reprezintă cea mai bună soluţie de rezolvare a acestei probleme, datorită necesităţii subsistemelor componente de a-şi comunica între ele anumite informaţii cu un grad diferit de prioritate, a apărut necesitatea unui sistem coordonator materializat prin CAN (ContollerAreaNetwork). Un exemplu reprezentativ îl constituie sistemul electronic de control şi conducere cu 20 de microprocesoare al autoturismului Peugeot 607, sisteme CAN (pentru controlul sistemelor automobilului) şi VAN (Vehicle Area Network – pentru controlul confortului interior şi a sistemului de navigaţie), care este apreciat ca fiind mai complex decât al unui avion comercial Airbus A 310. Se apreciază că este iminentă apariţia automobilului cu sistem electronic de conducere şi control cu 30 de microprocesoare.
