Sistemul de propulsie hibrid – variante constructive , avantaje si model de calcul Conducator : Conf.dr.ing. Burciu M 1. Construcţia şi funcţionarea transmisiilor hibride În prezent companiile de renume cum sunt Ford , Nissan , Toyota etc. , îşi direcţionează cercetările în domeniul autovehiculelor hibride , cu scopul obţinerii unor instalaţii energetice de propulsie economice , uşor de exploatat şi cu emisii poluante cât mai reduse , care sunt sub nivelul normelor impuse . Astfel , începând cu anii 2000 au apărut pe piaţa autovehiculelor primele automobile cu transmisie hibridă , acestea fiind însă în permanentă dezvoltare şi perfecţionare . Transmisia hibridă conţine două surse de energie active şi anume motorul cu ardere internă şi motorul electric ; în funcţie de regimul de exploatare ( care poate fi : pornire ,accelerare , decelerare ,frânare ,regim constant ) pentru propulsie se utilizează doar motorul electric , motorul cu ardere internă sau ambele , astfel încât fiecare în parte să funcţioneze doar la regimurile de eficienţă maximă sau apropiate de acestea . Corelarea celor două surse de energie se face de către unitatea electronică de control şi comandă . În acest mod pe ansamblul instalaţiei energetice utilizată pentru propulsie , eficienţa este ridicată , fiind realizată o economie substanţială de combustibil şi o reducere a poluării , autovehiculele respective încadrându-se cu succes în normele cele mai drastice referitoare la emisiile poluante . Studiile au luat o mare amploare în această direcţie deoarece astfel de instalaţii nu necesită o reîncărcare periodică a acumulatorilor aşa cum se întâmplă încă la vehiculele electrice ; în acelaşi timp perfecţionarea continuă în sensul creşterii calităţii şi minimizării componentelor electrice şi electronice şi a circuitelor ‘inteligente’ permite dezvoltarea sistemelor de acţionare , control şi comandă a acestor transmisii hibride, ceea ce le face din ce în ce mai performante , răspunzând astfel cerinţelor moderne din proiectarea şi exploatarea autovehiculelor . Există trei tipuri distincte de transmisii hibride şi anume : -- transmisia hibridă tip serie , fig. 1.1 ; -- transmisia hibridă tip paralel , fig. 1.2 ; -- transmisia hibridă tip serie / paralel , fig. 1.3 ; În cazul transmisiei hibride serie , conform fig. 1.1 , motorul cu ardere internă acţionează generatorul de curent a cărui energie electrică este utilizată de motorul electric pentru a realiza propulsia la roţile motoare ; sistemul este numit în serie deoarece m.a.i. şi motorul electric sunt dispuse în serie . În acest caz nu există legătură mecanică între m.a.i şi roţile motoare . Elementele precizate în fig. 1.1 sunt : 1 – motorul cu ardere internă ; 2 – generatorul de curent electric ; 3 – bateria de acumulatori ; 4 – unitate electronică de comandă şi control care cuprinde printre Energie Energie circuitele importante , un circuit convertor pentru mecanică electrică ridicarea tensiunii şi unul invertor care realizează 3 redresarea curentului alternativ în curent continuu pentru reîncărcarea bateriei de acumulatori ; 5 – motor electric utilizat pentru propulsie ; 6 – reductor cu roţi 4 dinţate necesar pentru mărirea cuplului de tracţiune ; 7 – roţi motoare . 1 În funcţie de regimurile de exploatare propulsia se 2 5 realizează : -- pentru pornirea de pe loc se utilizează motorul electric care se alimentează de la bateria de acumulatori ; 7 6 -- pentru regimurile de deplasare cu viteză redusă şi Fig. 1.1 medie propulsia se realizează doar cu motorul electric , care se alimentează de la bateria de acumulatori şi dacă este nevoie şi de la generator , caz în care m.a.i este pornit ;
-- pentru regimurile de accelerare propulsia se realizează utilizând motorul electric care se alimentează de la generatorul de curent (m.a.i funcţionâd) şi de la bateria de acumulatori (doar pentru regimurile de forţă) ; -- la regimurile de decelerare şi frânare motorul electric în general nu realizează reîncărcarea bateriei de acumulatori , aceasta fiind reîncărcată de surplusul de energie electrică de la generator prin intermediul circuitului invertor ; dacă motorul electric poate funcţiona şi ca generator atunci acesta va converti energia cinetică primită de la roţi în energie electrică utilizată pentru încărcarea bateriei de acumulatori . Circuitul de comandă şi control care cuprinde şi circuitul invertor , în funcţie de regimurile de exploatare (precizate mai sus) realizează corelarea celor două motoare în sensul pornirii / opririi m.a.i în scopul suplimentării de energie electrică (peste cea furnizată de bateria de acumulatori) de la generator , pentru motorul electric atunci când este necesar . Pentru ca o astfel de instalaţie energetică de propulsie să funcţioneze cu un randament global ridicat este necesar ca m.a.i să funcţioneze la regimurile staţionare economice şi apropiate de acestea , iar prin intermediul generatorului de curent să fie transformată energia mecanică în energie electrică necesară pentru motorul electric de propulsie şi pentru reîncărcarea bateriei de acumulatori . În cazul transmisiei hibride paralele , fig. 1.2 , atât motorul cu ardere internă cât şi motorul electric pot acţiona roţile motoare , energia furnizată de aceştia fiind utilizată pentru propulsie în funcţie de condiţiile de exploatare şi regimurile economice , cu randament ridicat de funcţionare pentru fiecare în parte . Sistemul se numeşte hibrid paralel deoarece forţele de propulsie ajung la roţile motoare pe cele două căi paralele . Elementele precizate sunt : 1 – motorul cu ardere internă ; 2 – motorul electric de propulsie care poate lucra şi în regim de generator în funcţie de regimul de exploatare ; 3 – bateria de acumulatori ; 4 – unitate electronică de comandă şi Energie Energie control care cuprinde printre circuitele importante , un mecanică circuit convertor pentru ridicarea tensiunii şi unul 3 electrică invertor care realizează redresarea curentului alternativ în curent continuu pentru reîncărcarea bateriei de acumulatori ; 5 – reductor cu roţi dinţate 4 necesar pentru mărirea cuplului de tracţiune ; 6 – roţi 1 motoare ; 7 – transmisie mecanică , hidraulică sau combinată ; 7 2 În funcţie de regimurile de exploatare propulsia se realizează : -- pentru pornire se utilizează m.a.i şi motorul electric care se alimentează de la bateria de acumulatori ; -- pentru regimurile de deplasare cu viteză redusă şi 6 5 Fig. 1.2 medie propulsia se realizează doar cu motorul electric , care se alimentează de la bateria de acumulatori , m.a.i fiind oprit ; dacă este necesar unitatea electronică de comandă control va realiza şi pornirea m.a.i pentru suplimentarea puterii de propulsie ; -- pentru regimurile de accelerare propulsia se realizează utilizând m.a.i şi motorul electric ; -- la regimurile de decelerare şi frânare motorul electric intră în regim de generator reîncărcând bateria de acumulatori ; Circuitul de comandă şi control care cuprinde şi circuitul invertor , în funcţie de regimurile de exploatare (precizate mai sus) realizează corelarea celor două motoare în sensul realizării cuplării sau decuplării m.a.i (caz în care acesta se opreşte ) cât şi funcţionării motorului electric în regim de propulsie sau de generator . Bateria de acumulatori se încarcă în momentul în care motorul electric funcţionează ca generator electric , propulsia fiind realizată pentru aceste regimuri doar de m.a.i . Acest sistem nu poate asigura în acelaşi timp încărcarea bateriei de acumulatori şi propulsia folosind doar motorul electric deoarece există un singur motor electric care poate funcţiona fie ca generator , fie ca motor de propulsie .
Transmisia hibridă serie / paralel , fig. 1.3 , combină cele două tipuri de transmisii hibride prezentate anterior cu scopul de a utiliza avantajele fiecăreia în parte , astfel încât transmsmisia rezultată să funcţioneze cu eficienţă maximă . Aceasta conţine motorul cu ardere internă (m.a.i.) , motorul electric cât şi generatorul de curent . Propulsia este realizată utilizând doar motorul electric sau ambele motoare , în funcţie de regimul de exploatare , astfel încât fiecare în parte să funcţioneze cu randament ridicat iar pe ansamblu să se obţină o eficienţă ridicată de funcţionare a instalaţiei energetice cu transmisie hibridă ; în plus atunci când este necesar energia electrică produsă de generatorul electric şi utilizată de motorul electric pentru propulsie este folosită şi pentru reîncărcarea bateriei de acumulatori . Acest sistem numit THS (Toyota Hybrid System) a fost pentru prima dată dezvoltat şi aplicat de Compania Toyota pe modelele Prius şi Estima Hybrid începând cu anii 1997 . Elementele precizate în fig. 1.3 sunt : 1 – motorul cu ardere internă (m.a.i) ; 2 – generatorul de curent; 3 – divizorul de putere mecanică provenită Energie Energie de la m.a.i , realizat cu ajutorul unui mecanism mecanică electrică 4 planetar ; 4 – bateria de acumulatori ; 5 – unitate electronică de comandă şi control care cuprinde printre circuitele importante , un circuit convertor pentru 2 5 ridicarea tensiunii şi unul invertor care realizează redresarea curentului alternativ în curent continuu 1 pentru reîncărcarea bateriei de acumulatori ; 6 – 3 6 motorul electric ; 7 – roţi motoare ; 8 – reductor cu roţi dinţate necesar pentru mărirea cuplului de tracţiune ; Pentru pornire este utilizat doar motorul electric . Propulsia pentru regimurile normale de funcţionare 8 este realizată cu motorul cu ardere internă şi Fig. 1.3 motorul electric , circuitul de control şi comandă realizând o optimizare a funcţionării celor două motoare astfel încât eficienţa transmisiei să fie ridicată iar consumul de combustibil cât mai redus ; dacă încărcarea autovehiculului este redusă , la viteze mici şi medii atunci când necesarul de putere de propulsie este redus , UECC va opri m.a.i , propulsia fiind realizată doar de motorul electric . Atunci când este nevoie de o accelerare ridicată , cele două motoare prin intermediul circuitului de comandă realizează puterea corespunzătoare , propulsia fiind realizată de ambele motoare . La regimurile de decelerare şi frânare transmisia permite recuperarea a unei părţi însemnate din energia cinetică ce este transformată în energie electrică , prin funcţionarea motorului electric în regim de generator . Pentru cele trei tipuri de variante de transmisii hibride , în fig. 1.4 este dat comparativ gradul de utilizare al motorului cu ardere internă faţă de motorul electric . Conform fig. 1.4 în cazul transmisiei hibride serie MAI şi motorul electric realizează aproximativ Hibrid serie aceeaşi cantitate de energie , m.a.i. fiind utilizat pentru antrenarea generatorului, care alimentează motorul electric . Hibrid M.A.I În cazul transmisiei hibride paralel , paralel M.E motorul electric este utilizat în special pentru a furniza energie suplimentară la roţile motoare în Hibrid M.A.I cazul regimurilor de accelerare , astfel încât serie/paralel M.E m.a.i. este utilizat mai mult decât motorul electric . Fig. 1.4 În cazul transmisiei hibride serie /paralel , se realizează prin intermediul divizorului de putere un raport de divizare al puterii (raportul dintre puterea transmisă direct de la m.a.i. la roţile motoare şi puterea de propulsie obţinută pe cale electrică ) variabil continuu , în funcţie de regimul de exploatare ; în acest caz forţa de propulsie provine mai mult de la motorul electric decât de la m.a.i. , acest tip de propulsie fiind cel mai convenabil din punct de vedere al reducerii consumului de combustibil şi emisiilor poluante ale m.a.i . În tabelul 6.1 sunt prezentate comparativ performanţele celor trei tipuri de transmisii hibride , din care rezultă superioritatea transmsiei hibride serie/paralel . M.A.I M.E
Bună
Bună
Satisfăcătoare
Bună
Tab. 1.1 Performanţele exploatare Accelerare Putere continuă ridicată Satisfăcătoar Satisfăcătoare e Bună Satisfăcătoare
Excelentă
Excelentă
Excelentă
Excelentă
Bună
Reducerea consumului de combustibil Mersul în Gradul de Nivelul de Eficienţă gol recuperare control globală energetică Bună Excelentă Bună Bună
Hibrid serie Hibrid paralel Hibrid serie/paralel
Bună
O componentă principală a transmisiei hibride serie/paralel o constitue divizorul de putere , DP , fig. 6.26 a) , care realizează repartizarea puterii ce provine de la motor ; o parte - I , se transmite la roţile motoare iar cealaltă parte - II , la generatorul electric care alimentează cu energie electrică motorul electric de propulsie . În acest mod energia care provine de la m.a.i. şi care este utilizată pentru propulsie ajunge la roţile motoare pe două căi : una mecanică şi cealaltă electrică .
BA
Unitatea electronică de comandă şi control , UECC , prin circuitele sale controlează în permanenţă transmisia variabilă , astfel încât M.A.I GE ME
MAI GE II DP R Transmisie hibridă
I
UECC ME
1
3 4
2
a) Fig. 6.26 viteza de deplasare poate fi modificată continuu prin variaţia continuă a turaţiei m.a.i. , Fig. 6.26 b) generatorului electric şi motorului electric . În general divizorul de putere cuprinde un mecanism planetar ,fig. 6.26 b . Conform fig. 6.26 b) , motorul cu ardere internă este cuplat la divizorul de putere ‘DP’ prin intermediul arborelui portsatelit 2 , care este în acest caz arborele conducător , 3 fiind pinioanele satelit ale mecanismului planetar ; generatorul electric ‘GE’ este cuplat la axul roţii centrale 1 (roata solară) ; motorul electric ‘ME’ este cuplat la arborele condus , care în acest caz este cuplat la coroana dinţată 4 . În funcţie de regimul de funcţionare al autovehiculului şi transmisiei hibride , turaţiile celor trei componente importante , m.a.i. , generatorul electric şi motorul electric au valori şi sensuri diferite , conform fig. 6.27 . La pornire autovehiculul foloseşte doar motorul electric care se alimentează de la bateria de acumulatori , m.a.i. fiind oprit ; sensul şi compararea turaţiilor fiind precizate în fig. 6.27 a) . În timpul accelerării ,după pornirea de pe loc , generatorul care are rol şi de electromotor primeşte comandă de la UECC şi porneşte m.a.i. ; odată pornit m.a.i. , generatorul electric va
începe să producă energie electrică ce este utilizată pentru suplimentarea energiei consumată de motorul electric pentru propulsie şi în acelaşi timp pentru reîncărcarea bateriei de acumulatori ; compararea turaţiilor fiind precizată în fig. 6.27 b) . În condiţiile staţionare de deplasare (viteza constantă) , propulsia se realizează cu ajutorul motorului electric şi a m.a.i. , nefiind necesară generarea de energie electrică suplimentară , compararea turaţiilor fiind precizată în fig. 6.27 c . Pentru regimurile de accelerare , turaţia m.a.i. creşte şi în acelaşi timp şi a generatorului Turaţie m.a.i
Turaţie motor electric
Turaţie generator
Turaţie m.a.i
Turaţie motor electric (viteză vehicul)
Accelerare
Turaţie generator
b)
a)
electric care generează energie electrică ;
Turaţie m.a.i
c)
Turaţie motor electric (viteză vehicul)
Turaţie generator
Turaţie m.a.i
Turaţie motor electric
Accelerare
Turaţie generator
Fig. 6.27
d) motorul electric utilizâd energia electrică care provine de la bateria de acumulatori cât şi pe cea suplimentară ce provine de la generator , susţine şi măreşte accelerarea autovehiculului ; compararea turaţiilor este precizată în fig. 6.27 d .
2. Model [11] ,
de calcul pentru transmisiile hibride
În fig. 6.36 este prezentată schema unei transmisii hibride paralele , introdusă de Tsai , [12] . Motor electric/Generator F2 A1
F1 A2
MP2 MP1
M.A.I 5
Fig. 6.36
Acest tip de transmisie utilizează un singur motor electric ( ca şi transmsmisia din fig. 6.18) , care în funcţie de regimul de funcţionare al instalaţiei poate funcţiona ca motor electric sau ca generator. Transmisia hibridă este formată din două mecanisme planetare : MP1 care este mecanismul planetar de intrare , respectiv MP2 care este mecanismul planetar de ieşire şi un motor electric care poate funcţiona şi ca generator electric . Roţile solare ale MP1 şi MP2 sunt cuplate la acelaşi ax 1 , care este axul rotorului motorului electric . Coroana lui MP1 este cuplată cu braţul portsatelit al MP2 (pe care sunt dispuşi sateliţii 6) prin intermediul axului 3 ,care transmite mişcarea spre transmisia finală (în general un reductor) . Arborele motorului cu ardere internă este cuplat la arborele primar 5, iar acesta poate fi cuplat cu arborele 1 prin intermediul ambreiajului A1 sau cu braţul port satelit 2 (pe care sunt dispuşi sateliţii 7) al MP1 prin intermediul ambreiajului A2 . Coroana 4 a lui MP2 poate fi cuplată la carcasă prin intermediul frânei cu bandă F1 ; frâna cu bandă F2 , atunci când este cuplată, opreşte de la rotaţie axul 1 , deci rotorul motorului electric . Transmisia permite obţinerea a cinci moduri de funcţionare şi anume : a) Propulsie doar cu motorul electric ; b) Propulsie cu motorul electric şi motorul cu ardere internă prin însumarea puterilor furnizate de cele două motoare ; c) Propulsie utilizând m.a.i. , caz în care transmisia lucrează ca o transmisie continuă automată ; d) Propulsie utilizând m.a.i. , motorul electric funcţionând în regim de generator pentru încărcarea bateriei de acumulatori şi alimentarea accesoriilor electrice ; în unul din cele 4 submoduri ale acestui mod de funcţionare , transmisia funcţionează ca o transmisie CVT . e) în perioada frânărilor energia cinetică a autovehiculului este convertită în energie electrică utilizată pentru încărcarea bateriei de acumulatori , motorul electric funcţionâd în regim de generator . În tabelul 6.4 sunt precizate cele cinci moduri de funcţionare ale transmisiei , fiecare cu submodurile sale posibile , fiind precizate ambreiajul şi frâna care sunt active sau inactive . Conform relaţiilor stabilite în [53] (subcap. 4.3.2 - cutiile de viteze planetare ) raportul de transmitere între doi arbori centrali ( i şi j ) , în reperul mobil al celui de al treilea (k) , este : ω − ωk iijk = ± i (6.1) ω j − ωk zj ωi =± ωj zi unde : zj este numărul de dinţi al roţii dinţate de pe arborele j ; zi este numărul de dinţi al roţii dinţate de pe arborele i ; ± în funcţie de tipul angrenării , interioară respectiv exterioară . k Considerând reperul ‘k’ fixat , rezultă : iij = ±
Mod de propulsie (funcţionare) Propulsie cu M M.E. Propulsie cu M.E. P1 şi M.A.I. P2 P3 Propulsie cu E1 M.A.I. E2 E3 E4 Propulsie cu EC1 M.A.I. şi EC2 încărcarea EC3 bateriei EC4 R1
(6.2)
Necuplat
Necuplat
Activă
Dezactivată
Tab. 6.4 Mod de funcţionare a M.E. Motor
Cuplat Necuplat Cuplat Cuplat Necuplat Cuplat Necuplat Cuplat Necuplat Cuplat Necuplat Necuplat
Necuplat Cuplat Cuplat Necuplat Cuplat Cuplat Cuplat Necuplat Cuplat Cuplat Cuplat Necuplat
Activă Activă Dezactivată Activă Activă Dezactivată Dezactivată Activă Activă Dezactivată Dezactivată Activă
Dezactivată Dezactivată Dezactivată Dezactivată Dezactivată Dezactivată Activă Dezactivată Dezactivată Dezactivată Dezactivată Dezactivată
Motor Motor Motor Rotire liberă Rotire liberă Rotire liberă Oprit(blocat) Generator Generator Generator Generator Generator
A1
Ambreiaje şi frâne A2 F1
F2
R2 Recuperare energie în timpul R3 frânării R4
Cuplat Necuplat Cuplat
Necuplat Cuplat Cuplat
Activă Activă Dezactivată
Dezactivată Dezactivată Dezactivată
Generator Generator Generator
Pentru transmisia hibridă în paralel , organizată după schema din fig. 6.36 , pentru cele două mecanisme planetare pot fi scrise relaţiile :
z3 (ω 3 − ω 2 ) z7 z ω 7 − ω 2 = − 1 ( ω1 − ω 2 ) z7 z ω 6 − ω 3 = 4 (ω 4 − ω 3 ) z6 z ω 6 − ω 3 = − 1 ( ω1 − ω 3 ) z6
ω7 − ω2 =
(6.3) (6.4) (6.5) (6.6)
Din ecuaţiile (6.3) şi (6.4) rezultă : ω 1 − ω 2 ⋅ 1 +
z3 z + ω 3 ⋅ 3 = 0 z1 z1
z4 z4 =0 Din ecuaţiile (6.5) şi (6.6) rezultă : ω 1 − ω 3 ⋅ 1 + + ω 4 ⋅ z1 z1
(6.7) (6.8)
Relaţiile (6.7) şi (6.8) permit calculul a două viteze unghiulare atunci când se cunosc celelalte două ( ω1 - viteza unghiulară a roţii solare a MP1 şi MP2 ; ω2 - viteza unghiulară a braţului port satelit a MP1 ; ω3 - viteza unghiulară a coroanei MP1 cuplată la axul de ieşire 3 ; ω4 - viteza unghiulară a coroanei MP2 cuplată) ; Pentru condiţii statice de funcţionare , cuplurile respectiv puterile exercitate la 1 , 2 , 3 şi 4
4 verifică relaţiile :
∑M i = 0
i =1
4
,
∑M i ⋅ ωi = 0
(6.9)
i =1
Eliminând cuplul M3 între ecuaţiile (6.9) şi ţinând cont de relaţiile (6.7) şi (6.8) rezultă :
z z4 M1 ⋅ 4 + M 2 ⋅ − M4 = 0 z1 z1 + z3
(6.10)
Eliminând cuplul M4 între ecuaţiile (6.9) şi ţinând cont de relaţiile (6.7) şi (6.8) rezultă :
z z +z +z M 1 ⋅ 1 + 4 + M 2 ⋅ 1 3 4 + M 3 = 0 z1 z1 + z3
(6.11)
Relaţiile (6.10) şi (6.11) permit calculul cuplurilor realizate de către 1, 2 , 3 şi 4 , în funcţie de rapoartele z3/z1 şi z4/z1 dacă sunt cunoscute două dintre aceste momente . În continuare vor fi prezentate în detaliu fiecare din modurile şi submodurile de funcţionare precizate în tabelul 6.4 , cu particularizarea relaţiilor stabilite .
Modul de funcţionare : a) Propulsie doar cu motorul electric M : este utilizat pentru pornire şi deplasare în trafic urban ; doar frâna F1 este activă . Pentru propulsie este utilizat doar motorul electric , care prin
intermediul MP2 realizează deplasarea înainte şi înapoi a autovehiculului , în tip ce MP1 se roteşte liber . Punând condiţia ω 4 = 0 în relaţiile (6.7) şi (6.8) , respectiv condiţia M 2=0 în relaţiile (6.10) şi (6.11) rezultă :
z ω1 = ω m.e = 1 + 4 ⋅ ω 3 z1
M 4 = M1 ⋅
z4 z4 = ⋅ M m.e z1 z1
z3 z 4 1 + + z1 z1 ⋅ ω ; ω2 = 3 z3 1 + z1 z4 z4 = −1 + ⋅ M m.e ; M 3 = − M 1 ⋅ 1 + z z1 1
(6.12)
(6.13)
Semnul ‘—‘ a momentului M3 , din relaţia (6.13) , semnifică faptul că acesta are semn contrar momentului de la motorul electric (M1 – considerat pozitiv) , datorită angrenării exterioare dintre sateliţii 6 şi roata solară a MP2 . Neglijând pierderile prin frecare , puterea de propulsie la arborele de ieşire este :
z P3 = ω 3 ⋅ M 3 = ω 3 ⋅ 1 + 4 ⋅ M m.e z1
(6.14)
Cunoscând (din construcţie) raportele z4/z1 şi z3/z1 , momentul Mm.e şi viteza unghiulară ω3 calculată în funcţie de viteza de deplasare şi raportul de transmitere al transmisiei finale se pot determina celelalte mărimi precizate de relaţiile stabilite . b) Propulsie cu M.E. şi M.A.I. : acest mod este utilizat atunci când este necesară o accelerare sporită ori autovehiculul întâmpină o rezistenţă mare la înaintare ( de exemplu urcarea unei rampe mai mari ) ; în astfel de situaţii motorul cu ardere internă este pornit , existând trei submoduri de propulsie : P1 : în acest caz ambreiajul A1 este cuplat iar frâna F1 este activă ; M.E. şi M.A.I. realizează împreună propulsia autovehiculului prin intermediul MP2 iar MP1 se roteşte liber . Deoarece atât m.a.i. cât şi m.e. sunt cuplaţi la acelaşi ax 1 , acestea se vor roti cu aceeaşi turaţie . Punând condiţia ω 4 = 0 în relaţiile (6.7) şi (6.8) , respectiv condiţia M2=0 în relaţiile (6.10) şi (6.11) rezultă :
z3 z 4 1 + + z1 z1 z4 ω1 = ω m.a.i = ω m.e = 1 + ⋅ ω 3 ; ω 2 = ⋅ω3 (6.15) z1 z3 1 + z1 z z z z M 4 = M 1 ⋅ 4 = 4 ⋅ ( M m.e + M m.a.i ) ; M 3 = − M 1 ⋅ 1 + 4 = −1 + 4 ⋅ ( M m.e + M m.a.i ) z1 z1 z1 z1
(6.16)
Neglijând pierderile prin frecare , puterea de propulsie la arborele de ieşire este :
z P3 = ω 3 ⋅ M 3 = ω 3 ⋅ 1 + 4 ⋅ ( M m.e + M m.a.i ) z1
(6.17)
Pentru acest mod de funcţionare se obţine , la ieşire , o amplificare maximă a cuplului de la intrare . Cunoscând (din construcţie) raportele z4/z1 şi z3/z1 , momentele Mm.e şi Mm.a.i şi viteza unghiulară ω3 calculată în funcţie de viteza de deplasare şi raportul de transmitere al transmisiei finale se pot determina celelalte mărimi , precizate de relaţiile stabilite . P2 : în acest caz ambreiajul A2 este cuplat iar frâna F1 este activă ; M.E. şi M.A.I. realizează împreună propulsia autovehiculului prin intermediul MP2 şi MP1 . Punând condiţia ω 4 = 0 în relaţiile (6.7) şi (6.8) rezultă :
z ω1 = ω m.e = 1 + 4 ⋅ ω 3 ; ω 2 = ω m.a.i z1
z3 z 4 1 + + z1 z1 = ⋅ω3 z3 1 + z1
(6.18)
Pe baza relaţiilor (6.10) şi (6.11) rezultă :
M 4 = M1 ⋅
z4 z4 z z4 + M2 ⋅ = M m.e ⋅ 4 + M m.a.i ⋅ z1 z1 + z3 z1 z1 + z3
(6.19)
z z z +z +z z4 M 3 = − M 1 ⋅ 1 + 4 − M 2 ⋅ 1 3 4 = − M m.e ⋅ 1 + 4 − M m.a.i ⋅ 1 + z z + z z z + z 1 1 3 1 1 3 Neglijând
pierderile
prin
frecare
, puterea
de
propulsie la
z z4 P3 = ω 3 ⋅ M 3 = ω 3 ⋅ M m.e ⋅ 1 + 4 + M m.a.i ⋅ 1 + z z + z 1 1 3
arborele
(6.20) de
ieşire este :
(6.21)
Cunoscând (din construcţie) raportele z4/z1 şi z3/z1, momentele Mm.e şi Mm.a.i şi viteza unghiulară ω3 calculată în funcţie de viteza de deplasare şi raportul de transmitere al transmisiei finale se pot determina celelalte mărimi, precizate prin relaţiile stabilite . P3 : în acest caz ambreiajul A2 şi A1 sunt cuplate iar frânele F1 şi F2 sunt libere ; M.E. şi M.A.I. realizează împreună propulsia autovehiculului în raport de transmitere unitar , MP1 rotinduse ca un rigid , astfel încât : ω1 = ω 2 = ω m.e = ω m.a.i şi din relaţia (6.7) ⇒ ω 3 = ω1 = ω 2 = ω m.e = ω m.a.i (6.22)
M 3 = − ( M m.e + M m.a.i )
Neglijând
pierderile
prin
frecare
P3 = ω 3 ⋅ M 3 = ω 3 ( M m.e + M m.a.i )
, puterea
de
propulsie la
arborele (6.24)
de
(6.23) ieşire este :
c) Propulsie utilizâd M.A.I. : atunci când necesarul de putere de propulsie este redus şi gradul de încărcare al bateriei de acumulatori este suficient pentru a asigura funcţionarea din punct de vedere electric a instalaţiilor auxiliare , propulsia poate fi realizată utilizând doar m.a.i. într-unul din următoarele submoduri : E1 : acest submod este similar cu P1 doar că motorul electric nu produce cuplu nefiind alimentat (Mm.e=0) , acesta rotindu-se liber iar relaţiile de calcul sunt :
z ω1 = ω m.a.i = 1 + 4 ⋅ ω 3 z1
M 4 = M1 ⋅
z4 z4 = ⋅ M m.a.i z1 z1
Neglijând
pierderile
prin
z3 z 4 1 + + z1 z1 ⋅ ω ; ω2 = 3 z3 1 + z1 z z ; M 3 = − M 1 ⋅ 1 + 4 = −1 + 4 ⋅ M m.a.i z1 z1 frecare
, puterea
de
z P3 = ω 3 ⋅ M 3 = ω 3 ⋅ 1 + 4 ⋅ M m.a.i z1
propulsie la
(6.25)
(6.26)
arborele
de
ieşire este :
(6.27)
E2 : acest submod este similar cu P2, doar că motorul electric nu produce cuplu nefiind alimentat cu tensiune (Mm.e=0) , acesta rotindu-se liber , iar relaţiile de calcul sunt :
z ω1 = 1 + 4 ⋅ ω 3 ; ω 2 = ω m.a.i z1
z3 z 4 1 + + z1 z1 = ⋅ω3 z3 1 + z1
(6.28)
Punând condiţia M1=0 rezultă :
M4 = M2 ⋅
z4 z4 z4 z4 = M m.a.i ⋅ = − M m.a.i ⋅ 1 + (6.29) ; M 3 = − M 2 ⋅ 1 + z1 + z3 z1 + z3 z1 + z 3 z1 + z 3
Neglijând
pierderile
prin
frecare
, puterea
de
propulsie la
arborele
z4 P3 = ω 3 ⋅ M 3 = ω 3 ⋅ M m.a.i ⋅ 1 + z1 + z3
de
ieşire este :
(6.30)
E3 : în acest caz ambreiajul A2 şi A1 sunt cuplate , iar frânele F1 şi F2 sunt libere ; M.A.I. realizează singur propulsia autovehiculului , M.E. nefiind alimentat electric , el rotindu-se liber ; transmiterea mişcării la arorele de ieşire 3 se face în raport de transmitere unitar iar MP1 se roteşte ca un rigid , astfel încât : ω1 = ω 2 = ω m.a.i şi din relaţia (6.7) ⇒ ω 3 = ω1 = ω 2 = ω m.a.i (6.31) M 3 = −M m.a.i (6.32) P3 = ω3 ⋅ M 3 = ω3 ⋅ M m.a.i (6.33) Acest submod de funcţionare corespunde modului ‘priză directă’ . E4 : pentru obţinerea vitezelor mari de deplasare se poate cupla ambreiajul A2 în acelaşi timp cu cuplarea frânei F2 , regim care corespunde celui de ‘suprapriză’ ; în acest caz MP2 se roteşte liber, iar M.E este blocat . Punând condiţia ω1 = 0 în relaţiile (6.6) , (6.7) , rezultă :
ω2 = ω3 ⋅
z3 ⇒ ω 3 ω 2 = ω m.a.i z1 + z3
z1 ⋅ ω3 ; ω 4 = 1 + z
(6.34)
4
Deoarece MP2 se roteşte liber , M4=0 şi din ecuaţiile (6.10) şi (6.11) rezultă :
M1 = − M 2 ⋅
z1 z1 =− ⋅ M m.a.i z1 + z3 z1 + z3
(6.35)
z z +z +z z3 z M 3 = − M 1 ⋅ 1 + 4 − M 2 ⋅ 1 3 4 = − M 2 ⋅ = − 3 ⋅ M m.a.i z1 z1 + z3 z1 + z3 z1 + z3 Neglijând
pierderile
P3 = ω 3 ⋅ M 3 = ω 3 ⋅
prin
frecare
, puterea
z3 ⋅ M m.a.i z1 + z3
de
propulsie la
(6.36)
arborele
de
ieşire este :
(6.37)
Acest submod de propulsie este utilizat pentru deplasarea cu viteze mari atunci când nu este necesară încărcarea bateriei de acumulatori ; dacă nu se doreşte utilizarea în exploatare a acestui submod se poate renunţa la frâna F2 din construcţie , ceea ce ar duce la simplificarea transmisiei şi la reducerea costului acesteia .
d) Propulsie cu M.A.I. şi încărcarea bateriei de acumulatori : pentru acest mod de funcţionare propulsia este realizată de către m.a.i. care furnizează putere şi pentru funcţionarea motorului electric în regim de generator electric, acesta consumând deci din cuplul furnizat de m.a.i. , submodurile de funcţionare fiind : EC1 : puterea furnizată de către m.a.i. este utilizată pentru propulsia autovehiculului , pentru funcţionarea motorului electric în regim de generator acesta alimentând accesoriile electrice şi încărcând bateria de acumulatori ; ambreiajul A1 este cuplat iar frâna F1 activă , generatorul consumâd din cuplul furnizat de m.a.i . Relaţiile de calcul sunt cele de la submodul P1 de funcţionare , dar cu un cuplu la m.e. de semn contrar :
z ω1 = ω m.a.i = ω generator = 1 + 4 ⋅ ω 3 z1
M 4 = M1 ⋅
(
z3 z 4 1 + + z1 z1 ⋅ ω ; ω2 = 3 z3 1 + z1
)
z4 z4 = ⋅ M m.a.i − M generator ; z1 z1
z z M 3 = − M 1 ⋅ 1 + 4 = −1 + 4 ⋅ M m.a.i − M generator z1 z1
(
Neglijând
(6.38)
pierderile
prin
frecare
, puterea
)
de
(6.39) propulsie la
z P3 = ω 3 ⋅ M 3 = ω 3 ⋅ 1 + 4 ⋅ M m.a.i − M generator z1
(
)
arborele
de
ieşire este :
(6.40)
Puterea consumată de generator :
z Pgenerator = ω 1 ⋅ M generator = 1 + 4 ⋅ ω 3 ⋅ M generator z1 M3 unde din relaţia (6.39) : M generator = M m.a.i + 1 + z 4 z1
(6.41) (6.42) , iar momentul
M3 se determină pe baza rezistenţei la înaintare pentru o viteză impusă şi se introduce cu semnul ‘ –‘ în relaţie , fiind de semn contrar momentului Mm.a.i . G ( f cos α + sin α ) k ⋅ A ⋅ v2 M3 = a ⋅ rr + ⋅ rr (6.43) ηtr . finale ⋅ itr . finale 13 ⋅ ηtr . finale ⋅ itr . finale (mărimile fiind cele precizate în [53] ). Cunoscând din construcţie raportele z4/z1 şi z3/z1 , momentul Mm.a.i şi viteza unghiulară ω3 calculată în funcţie de viteza de deplasare şi raportul de transmitere al transmisiei finale , se pot determina celelalte mărimi , precizate de relaţiile stabilite . EC2 : puterea furnizată de către m.a.i. este utilizată pentru propulsia autovehiculului , pentru funcţionarea motorului electric în regim de generator acesta alimentând accesoriile electrice şi încărcând bateria de acumulatori ; ambreiajul A2 este cuplat iar frâna F1 activă , generatorul consumâd din cuplul furnizat de m.a.i . Relaţiile de calcul sunt cele stabilite pentru submodul P2 de funcţionare , dar cu un cuplu la motorul electric de semn contrar :
z3 z 4 1 + + z1 z1 z4 ω 1 = ω generator = 1 + ⋅ ω 3 ; ω 2 = ω m.a.i = ⋅ω3 (6.44) z1 z3 1 + z1 z z z z M 4 = M 1 ⋅ 4 + M 2 ⋅ 4 = M m.a.i ⋅ 4 − M generator ⋅ 4 (6.45) z1 z1 + z3 z1 + z3 z1 z z z +z +z z4 (6.46) M 3 = − M 1 ⋅ 1 + 4 − M 2 ⋅ 1 3 4 = + M generator ⋅ 1 + 4 − M m.a.i ⋅ 1 + z1 + z3 z1 z1 z1 + z3
Neglijând
pierderile
prin
frecare
, puterea
de
propulsie la
z z4 − M generator⋅ 1 + 4 P3 = ω 3 ⋅ M 3 = ω 3 ⋅ M m.a.i ⋅ 1 + z1 z1 + z3
Puterea consumată de generator : Pgenerator = ω1 ⋅ M generator unde momentul consumat de generator rezultă din relaţia (6.46) :
arborele
(6.47)
(6.48)
de
ieşire este :
z M generator= M 3 + M m.a.i ⋅ 1 + 4 z1 + z 3
z4 1 + z1
(6.49)
iar momentul M3 se determină pe baza rezistenţei la înaintare , relaţia (6.43) pentru o viteză impusă şi se introduce cu semnul ‘ –‘ în relaţie , fiind de semn contrar momentului Mm.a.i . Cunoscând din construcţie raportele z4/z1 şi z3/z1 , momentul Mm.a.i şi viteza unghiulară ω3 calculată în funcţie de viteza de deplasare şi raportul de transmitere al transmisiei finale , se pot determina celelalte mărimi , precizate de relaţiile stabilite . EC3 : puterea furnizată de către m.a.i. este utilizată pentru propulsia autovehiculului , pentru funcţionarea motorului electric în regim de generator acesta alimentând accesoriile electrice şi încărcând bateria de acumulatori ; ambreiajele A1 şi A2 sunt cuplate , frânele nu sunt cuplate iar generatorul consumă din cuplul furnizat de m.a.i . Relaţiile de calcul sunt cele stabilite pentru submodul P3 de funcţionare , dar cu un cuplu la motorul electric de semn contrar : ω1 = ω2 = ω generator = ωm.a.i şi din relaţia (6.7) rezultă : ⇒ ω3 = ω1 = ω 2 = ω generator = ω m.a.i (6.50)
(
M 3 = − M m.a.i − M generator
)
Neglijând pierderile prin frecare , puterea P3 = ω3 ⋅ M 3 = ω3 M m.a.i − M generator
(
)
de
propulsie la
arborele
(6.51) de ieşire este :
Puterea consumată de generator este : Pgenerator = ω1 ⋅ M generator unde momentul consumat de generator rezultă din relaţia (6.51) : M generator = M 3 + M m.a.i , iar momentul M3 se determină pe baza rezistenţei la înaintare , relaţia (6.43) , pentru o viteză impusă şi se introduce cu semnul ‘ –‘ în relaţie , fiind de semn contrar momentului Mm.a.i . Cunoscând momentul Mm.a.i şi viteza unghiulară ω3 calculată în funcţie de viteza de deplasare şi raportul de transmitere al transmisiei finale , se pot determina celelalte mărimi , precizate de relaţiile stabilite . EC4 : este utilizat pentru viteze medii şi mari de deplasare , ambreiajul A2 fiind cuplat ; această condiţie face ca MP1 să funcţioneze ca un divizor de putere , acesta având o mărime de intrare şi două mărimi de ieşire ; motorul electric funcţionează în regim de generator . O parte din puterea furnizată de m.a.i. este utilizată direct pentru propulsie , iar cealaltă parte pentru antrenarea generatorului electric . Pentru acest submod de funcţionare m.a.i. poate funcţiona la regimuri economice , viteza de deplasare fiind obţinută prin controlul turaţiei şi încărcării generatorului electric . În acest caz transmisia funcţionează similar cu o transmisie variabilă continuă (CVT) . Pe baza relaţiei (6.7) rezultă :
z ω 2 ⋅ 1 + 3 − ω 1 z1 ω3 = z 3 z1
z z = 1 + 1 ⋅ ω m.a.i − 1 ⋅ ω generator z3 z3
(6.52)
Conform relaţiei (6.52) , impunând o viteză unghiulară ω2 de funcţionare a m.a.i. corespunzătoare regimurilor economice şi o viteză unghiulară ω3 stabilită pe baza vitezei de deplasare şi a raportului de transmitere a transmisiei finale , se poate determina viteza unghiulară necesară ω1 de funcţionare a generatorului electric . Deoarece frâna F1 nu este cuplată , M 4=0 , şi din relaţiile (6.10) şi (6.11) rezultă :
M1 = − M 2 ⋅
z1 z = − 1 ⋅ M m.a.i = M generator z1 + z3 z1 + z3
(6.53)
z z +z +z z z3 M 1 ⋅ 1 + 4 + M 2 ⋅ 1 3 4 + M 3 = 0 ⇒ M 3 = − M 2 ⋅ 3 = − ⋅ M m.a.i z1 + z 3 z1 + z 3 z1 + z 3 z1
Puterea consumată de generator este :
(6.54)
Pgenerator = ω1 ⋅ M generator = −ω1 ⋅
z1 ⋅ M m.a.i z1 + z3
Puterea de propulsie este : P3 = ω 3 ⋅ M 3 = ω 3 ⋅
(6.55)
z3 ⋅ M m.a.i z1 + z3
(6.56)
e) Recuperare de energie în timpul frânării : în timpul frânării motorul electric funcţionează în regim de generator , energia cinetică fiind transformată în energie electrică şi utilizată pentru încărcarea bateriei de acumulatori ; sunt posibile următoarele patru submoduri de încărcare : R1 : m.a.i. fiind oprit şi frâna F1 cuplată , prin intermediul MP2 energia cinetică de la frânare este transformată prin intermediul generatorului în energie electrică utilizată pentru încărcarea bateriei de acumulatori şi funcţionarea accesoriilor electrice ; pentru acest submod de funcţionare puterea are sens invers faţă de submodul M prezentat mai sus . Punând condiţia ω4 = 0 în relaţiile (6.7) şi (6.8) , respectiv condiţia M2=0 în relaţia (6.11) rezultă :
z3 z 4 1 + + z1 z1 z4 ω 1 = ω generator = 1 + ⋅ ω 3 ; ω 2 = ⋅ω3 (6.57) z1 z3 1 + z1 z z M3 M 3 = − M 1 ⋅ 1 + 4 = − 1 + 4 ⋅ M generator⇒ M generator = − z 4 (6.58) z1 z1 1 + z1 Puterea consumată de generator este : Pgenerator = ω1 ⋅ M generator (6.59) Momentul M3 se determină pe baza rezistenţei la înaintare şi se introduce cu semnul ‘ –‘ în relaţia (6.58) . Cunoscând din construcţie raportele z4/z1 şi z3/z1 şi viteza unghiulară ω3 calculată în funcţie de viteza de deplasare şi raportul de transmitere al transmisiei finale , se pot determina celelalte mărimi , precizate de relaţiile stabilite . R2 : frâna F1 fiind activă şi ambreiajul A1 cuplat , prin intermediul MP2 o parte din energia cinetică de la frânare este transformată la generatorul electric în energie electrică utilizată pentru încărcarea bateriei de acumulatori şi funcţionarea accesoriilor electrice ; cealaltă parte de energie cinetică se transmite prin intermediul MP1 la m.a.i. şi realizează frânarea acestuia , dacă m.a.i. funcţiona anterior frânării ; pentru acest submod de funcţionare puterea are sens invers faţă de submodul P1 prezentat mai sus . R3 : frâna F1 fiind activă şi ambreiajul A2 cuplat , prin intermediul MP2 o parte din energia cinetică de la frânare este transformată la generatorul electric în energie electrică utilizată pentru încărcarea bateriei de acumulatori şi funcţionarea accesoriilor electrice ; cealaltă parte de energie cinetică se transmite prin intermediul MP1 la m.a.i. şi realizează frânarea acestuia dacă m.a.i. funcţiona anterior frânării ; pentru acest submod de funcţionare puterea are sens invers faţă de submodul P2 prezentat mai sus . R4 : ambreiajele A1 şi A2 fiind cuplate , MP1 se roteşte ca un rigid şi prin intermediul lui o parte din energia cinetică de la frânare este transformată la generatorul electric în energie electrică , utilizată pentru încărcarea bateriei de acumulatori şi funcţionarea accesoriilor electrice , iar cealaltă parte de energie cinetică realizează frânarea m.a.i. ; pentru acest submod de funcţionare puterea are sens invers faţă de submodul P3 prezentat mai sus . Regimurile de funcţionare precizate în tab. 6.4 şi analizate mai sus , pot fi grupate (prin analogie cu treptele de viteze) din punct de vedere a optimizării funcţionării transmisiei , controlului şi automatizării acesteia , în modurile de funcţionare precizate în tab. 6.5 . Tab. 6.5 Mod de funcţionare Ambreiaje şi frâne Mod de funcţionare a M.E. A1 A2 F1 F2 Motor electric M x Motor R1 x Generator
Treapta I
Treapta II
Priza directă
Suprapriză CVT
P1 E1 EC1 R1 P2 E2 EC2 R2 P3 E3 EC3 R3 E4 EC4
x x x x
x x x x
x x x x x x x x x x
x x x x x x x x
x
Motor Rotire liberă Generator Generator Motor Rotire liberă Generator Generator Motor Rotire liberă Generator Generator Oprit Generator
Se pot obţine următoarele regimuri de funcţionare : -- regim de funcţionare performant , cu propulsie realizată de m.a.i. şi m.e. : M → P1 → P 2 → P3( E 3) → EC 4( E 4 ) -- regim de funcţionare normală , cu propulsie realizată de m.a.i. : M → E1 → E 2 → E 3 → EC 4( E 4 ) -- regim de propulsie cu m.a.i. şi funcţionare a motorului electric
EC1 → EC 2 → EC 3 → EC 4
ca generator
BIBLIOGRAFIE [1] Câmpian V. , Vulpe V. , Ciolan Gh. , Enache V. , Preda I. , Câmpian O. , Automobile , Universitatea din Braşov , 1989 . [2] Ciolan Ghe. , Preda I. , Pereş Ghe. , Cutii de viteze pentru automobile , Ed. Didactică şi Pedagogică , Bucureşti 1989 . [3] Fraţilă Gh. , Fraţilă M , Samoilă St. , Automobile -- cunoaştere , întreţinere şi reparare , manual pentru şcoli profesionale , anii I , II , III , Ed . Didactică şi Pedagogică , Bucureşti 1998 . [4] Frăţilă Gh. , Calculul şi construcţia automobilelor , Ed. Didactica şi Pedagogică , Bucureşti 1977 [5] Macarie T. , Cristea D. , Marinescu D. , Filip N. , Transmisii continue şi acţionări pentru autovehicule , Universitatea din Piteşti , 1995 . [6] Untaru M. , Fraţilă Gh. , Poţincu Gh. , Seitz N., Tabacu I. , Pereş Gh. , Macarie T. , Calculul şi construcţia automobilelor , Ed. Didactica şi Pedagogică , Bucureşti 1982 . [7] Untaru M. , Poţincu Gh. , Stoicescu A. , Pereş Gh. , Tabacu I. , Dinamica autovehiculelor pe roti , Editura Didactica şi Pedagogică , Bucureşti 1981 . [8] Urdăreanu T. , Vasiliu C. , Gorianu M. , Canţă T. , Propulsia şi circulaţia autovehiculelor cu roţi , Ed. Ştiinţifică şi Enciclopedică , Bucureşti 1987 . [9] Tsai , L.W. , Schultz, G., Higuchi , N. , 2000 , “ A nobel Parallel Hybrid Transmission ” ,ASME Journal of Mechanical Design ,Vol. 123, No. 2, pp. 161-168. [10] Schultz, G. , Tsai, L.W. , Higuchi N., Tong, I. C. , 2001 , “ Development of a Novel Paralell Hibrid Transmission” , Transmission and Driveline System Symposium , paper No. SAE 2001-010875 , SAE 2001 Congress , Detroit , MI. [11] Burciu M., “Acţionări cu motoare cu ardere internă” , vol I,II , Ed. Bren , Bucureşti 2003 .
