TEMA 6: Automobile semi-hibride 

Figura 1 Schema de tranziție de la 12V la arhitectura cu dublă tensiune 12V-48V

DC/DC – Convertor, Inv. – Invertor, BSG. – Motor electric/Generator

Caracteristicile automobilului cu sistem de propulsie  semi-hibride MHEV sunt:

• Vehiculul nu poate fi condus doar de motorul electric, puterea motorului electric 10 – 15 kw este insuficientă pentru aceasta.

• Capacitatea bateriei este mai mică şi funcţionează adesea la o tensiune mai joasă.

• Motorul electric este folosit şi ca motor de pornire (electromotor), aceasta este practic un beneficiu al sistemului hibrid.

• Energia generată de motorul electric este stocată doar în timpul frânării.

• Acest sistem oferă oprirea şi pornirea motorului: motorul cu ardere internă se opreşte automat atunci când vehiculul staţionează (sistemul start-stop).

6.2        Configurația propulsiei semi-hibride

Pe piața auto MHEV, există în prezent două categorii majore pentru valoarea de funcționare a rețelei de înaltă tensiune: 48 V și până la 150 V. Accentul se îndreaptă către soluția de 48 V, care va deveni soluția standard pentru MHEV. Un exemplu de MHEV este noul Audi A8, care dispune de un sistem electric de 48 V 

Cea mai mare creștere este de așteptat să vină de la arhitecturile 48V MHEV, care vor ajunge la aproximativ 25 de milioane de unități vândute, până în anul 2030.

Sistemul electric de 48 V a devenit standardul industrial pentru aplicațiile semi-hibride MHEV din mai multe motive:

• relativ simplu de integrat pe un vehicul;

• masa componentelor este relativ mică, astfel încât impactul asupra greutății totale a automobilului este limitat;

• raportul cost-performanță al sistemului (eficiența combustibilului, creșterea cuplului) este foarte competitiv;

În prezent, multe automobile MHEV de 48 V cu generator angrenat prin curea folosesc încă demarorul de 12 V. Deoarece durabilitatea curelei trebuie crescută pentru a susține un cuplu mai mare și mai multe cicluri de oprire/pornire a motorului. Îmbunătățirea curelei cu o durabilitate sporită, poate îndepărta demarorul de 12 V și toate funcțiile acestuia pot fi îndeplinite de mașina electrică de 48 V (Figura 3).

Majoritatea Motoarelor electrice de 48 V sunt mașini electrice trifazate cu curent alternativ (AC) cu un invertor integrat (Figura 4). Invertorul are două roluri:

• converti curentul continuu (DC) furnizat de baterie în (AC), pentru a alimenta motorul electric atunci când este în regimul de motor:

• converti (AC) generat de motorul electric (în regim de generator) în (DC), care poate fi stocat în baterie.

Caracteristicile motorului electric de 48 V angrenat prin curea cu invertor integrat.

• nu există cabluri externe între invertor și motorul electric;

• cuplu de ieșire: 60 Nm până la 160 Nm;

• putere mecanică de vârf (disponibilă pentru aproximativ 2 s): 14-16 kW

• putere mecanică continuă: 4-6 kW

• viteza maximă (continua): 20000 rpm

• răcirea se efectuează cu lichid.

• Eficiența transmisiei: 85 %

Arhitecturile vehiculelor mild hybrid de la Honda IMA  (Figura 5) și Mercedes Benz Blue Hybrid (Figura 6) utilizează baterii cu tensiuni cu valoarea până la 150 V, iar Motorul electric/Generator este montat pe arborele cotit.

Unul dintre cele mai mari avantaje ale acestei soluții este că motorul electric poate oferi un cuplu mai mare decât cele angrenate prin curele, deoarece nu există limitare a curelei (din cauza alunecării), eficiența transmisiei: 94 %. Cu toate acestea, deoarece nu există un raport viteză/cuplu între motorul electric și arborele cotit, cerințele de cuplu ale motorului electric pot fi destul de solicitante, (puterea motorului electric, tensiunea bateriei).

Configurația arhitecturii semi hibride de la Honda Civic

Configurația automobilului semi hibrid cu un singur ax este dificil de pus în practică datorită vibrațiilor generate de MAI  la ieșire arborelui cotit,  produse ca urmare exploziilor de ardere din interiorul cilindrilor. Aceste vibrații conduc la rotații excentrice ale arborelui cotit îngreunând considerabil centrarea motorului electric și a convertizorului hidraulic de cuplu. Dificultatea de centrare este accentuată de faptul că inferiorul dintre rotor și statorul mașinii electrice trebuie să fie cât mai reduse pentru a micșora pierderile de flux și a mări astfel randamentul de funcționare. Erorile de descentrare se măresc pe măsura măririi lungimii rotorului și statorului, mai precis a suprafețelor longitudinale de polarități magnetice diferite care se resping generând astfel cuplul motor. Pentru a minimaliza acest efect, cuplarea dintre rotor și intrarea ambreiajului se face de regulă prin intermediul unei volante Denfler, care are rolul de reducere și absorbire a șocurilor existente la arborele motorului cu ardere internă. 

Acest sistem de propulsie hibrid în paralel, care față de sistemul în serie este mai efectiv în cazul deplasărilor pe distanțe mai mari și nu numai în zone urbane dar și rulare,  a luat o amploare și a fost utilizat de mai mulți producători de camioane și autobuze, care sunt recunoscuți la nivel mondial și anume DAF, Mercedes, VOLVO, MAN, etc.

Sistemul mai dispune de un convertizor de energie (E) și de acumulatori (B). Inima sistemului este unitatea de gestionare a lanțului cinematic (PMU). Aceasta controlează puterea de intrare și de ieșire a motorului electric și motorul diesel, strategiile de schimbare a treptelor de viteză și încărcarea.

Avantajele majore a trenului de propulsie hibrid în paralel sunt:

1.  Atât motorul cu ardere internă și motorul electric furnizează direct cuplurile la roțile motoare și nu convertește dintr-o  formă de energie în alta de 2 ori, astfel pierderea de energie poate fi mai puține;

 2. Este mai compact, deoarece nu este nevoie de un generator suplimentar și motorul electric este mai mic decât în serie.

3. Bateria de acumulatoare este mai mică ușurând greutate.

4. Reușește să rezolve suficient de bine problema de transportare a mărfurilor pe distanțe lungi, față de cele în serie

Dezavantajul majore sunt:

1.        Cuplarea mecanică dintre motor și roțile de tracțiune, se complică .

2.        Un alt dezavantaj ar putea fi structura și controlul complex a mecanismelor mecanice.

3.        Regimul de exploatare ecologic fiind de scurtă durată deci micșorarea concentrațiilor de gaze nocive sunt mici.

      Studiind materialul predat încercați să identificați avantajele și dezavantajele automobilelor hibride cu arhitectura transmisiei tip paralel.