Capitolul I. Automobile hibride și electrice
Embedded Files
Tema: 2 Tehnologia automobilelor hibride și electrice. Propulsia electrică
Tema: 2 Tehnologia automobilelor hibride și electrice. Propulsia electrică
Studiind această temă, veți fi capabili :
- să explicați principiul general de funcționarea a automobilului electric;
- să explicați destinația și principiul de funcționare al propulsiei electrice în automobilele hibride și electrice;
- să recunoașteți și să descrieți componentele principale ale lanțului cinematic electric (motor electric, invertor, baterie de înaltă tensiune, etc.).
- să identificați vehiculele electrice și hibride.
1.2.1 Principiile generale ale propulsiei electrice în autovehicule
Datorită creșterii reglementărilor privind emisiile poluante și dorinței de a deveni mai puțin dependent de resursele petroliere, majoritatea producătorilor de automobile au dezvoltat combustibili alternativi sau vehicule cu propulsie alternativă. Un automobil electric (ZEV- zero emisii) în timpul conducerii, nu emite substanțe sau gaze nocive în atmosferă. Dacă bateria de înaltă tensiune este reîncărcată din surse regenerabile de energie, vehiculul electric poate fi operat fără emisii de CO2.
La general, orice automobil care are motor de tracțiune electric este considerat automobil electric. Sursa de alimentare, pentru majoritatea automobilelor electrice este o baterie de acumulatoare (Figura 1.8).
Datorită randamentului ridicat al motorul electric, zgomotul redus de funcționare, poluare zero în timpul propulsiei, automobilele electrice ar trebui să fie practic soluția optimă pentru transportul rutier.
Începând cu anii 1990, majoritatea producătorilor auto au dezvoltat vehicule electrice (EV). Acestea își alimentează motorul electric dintr-un pachet de baterii.
Deși automobilele electrice oferă multiple avantaje, precum emisii reduse și un nivel scăzut de zgomot, ele prezintă și unele dezavantaje semnificative comparativ cu autovehiculele echipate cu motoare cu ardere internă.
Cel mai important dintre aceste dezavantaje este autonomia redusă – adică distanța limitată care poate fi parcursă cu o singură încărcare a bateriei. Din cauza acestei limitări, dezvoltarea și producția pe scară largă a autovehiculelor electrice a fost inițial restrânsă.
Pentru a compensa acest neajuns, industria auto a introdus automobilele hibride, care combină propulsia electrică cu cea termică, oferind astfel o autonomie extinsă și o eficiență energetică mai bună.
Figura 1.8 Structura generală a automobilelor electrice
1.2.2 Automobile cu sistem de propulsie hibrid
În conformitate cu dicționarul Larousse, termen hibrid derivat din latină "hybrida" care poate fi tradus ca, compus din două elemente de naturi diferite.
Sistemul de propulsie care au în structura lor, pe lângă un sistem clasic, (ex: motor ardere internă), cel puțin încă unul capabil să furnizeze cuplu de tracțiune la roțile automobilului și care să recupereze o parte din energie cinetică în fazele de decelerare, sunt cunoscute sub denumirea de automobile hibride.
După cum se poate constata din informația de mai sus, sistemul hibrid de propulsie este alcătuit din trei componente principale: sursă de energie ireversibil, sursă de energie reversibil și sistemul de cuplarea (Figura 1.9).
Figura 1.9 Structura generală a unui automobil cu propulsie hibridă
Sursă de energie ireversibilă. Reprezintă un sistem deschis ce utilizează un combustibil stocat în rezervor și oxigenul din aer. El produce energie și emite produs de degradare, constituiți prin reacție chimică.
Cea mai răspândită sursă de energie ireversibilă ar fi sistemele ce utilizează motor cu ardere internă ce consumă combustibili fosili (benzină, motorină, gaz lichefiat, gaz comprimat, etc). Un alt sistem mai contemporan de energie ireversibilă ar fi sistemul pe pile de combustie ce utilizează Hidrogen din rezervoare și Oxigen din atmosferă.
Sursă de energie reversibilă. Reprezintă un sistem închis ce poate furniza sau primi energie din partea altor componente.
Cea mai răspândită sursă de energie ireversibilă ar fi cea cu o baterie de acumulatoare electrochimică și un motor electric. Alte alternative de surse de energie reversibile ar fi: un super-condensator, un volant cu viteză ultra înaltă sau un sistem ulei – aer
Sistemul de cuplarea asigură legătura între celelalte două componente (surse energetice) și roțile motoare ale vehiculului. Este posibil mai multe combinații pentru a asocia una sau mai multe motoare electrice cu un motor cu combustie, fiecare cu caracteristici specifice cum ar fi. transmisia hibridă tip serie, transmisia hibridă tip paralel, transmisia hibridă tip mixt.
Un automobil hibrid se diferă prin faptul că utilizează două surse diferite de energie. Bineînțeles, prezența celei de-a doua sursă de energie implică prezența unor piese și subansambluri noi (Figura 1.10).
Figura 1.10 Structura unui automobil cu un sistem de propulsie hibrid
1 - Bateria de 12 V (auxiliară) (Figura 1.10).
Alimentează la necesitate consumatori de 12 V și asigură print-un circuit de siguranță monitorizarea și la necesitate întreruperea curentului în bateria de tensiune înaltă.
2 - Bateria principală HV (de tensiune înaltă) (Figura 1.10).
Stochează energia electrică. Alimentează cu curent continuu a nodurile electrice, ia poate să fie de tipul Nickel Metal, sau Lit-ion
3 - Cablu de tensiune înaltă (Figura 1.10).
Este destinat transmiterii în siguranță a curentului electric, ca particularitate constructivă el poate fi identificat după grosimea și culoarea care este portocalie
4 - Convertorul DC/DC (Figura 1.10).
Coboară tensiunea, reîncărcând baterii de acumulatoare de 12 V sau alimentând componentele ce funcționează de la tensiune de 12 V. Această componentă înlocuiește alternatorul standard al automobilului.
4 - Invertorul (Figura 1.10).
Acesta controlează M/G. De asemenea transformă tensiunea curentului continuă a bateriei HV într-o tensiune alternativă trifazată pentru M/G și inversarea acestui proces.
5 - Motorul cu ardere internă (Figura 1.10).
Sursa clasică de motor utilizat pentru propulsia automobilelor. Generator de curent la rotirea unui motor electric, pentru reîncărcarea baterii principale HV (HV-Tensiune înaltă).
6 - Motorul electric/generator M/G 2 (Figura 1.10).
Utilizat în scopul propulsării roților din față sau spate, iar în regimurile de frânare decelerare devine generator de curent utilizat pentru încărcarea baterii de tensiune înaltă.
7 - Motorul electric/generator M/G 1 (Figura 1.10).
Utilizează rotațiile arborelui cotit pentru a produce curent electric, utilizat ulterior pentru alimentarea motorului electric MG2 și a baterii de tensiune înaltă. O altă funcție ar mai fi pornirea motorului cu ardere internă ca demaror, asigurând o cuplare lină.
8- Rezervor de combustibil (Figura 1.10).
Stochează combustibilul necesar pentru funcționarea motorului cu ardere internă, completând astfel aportul sistemului electric.
9 - Transmisie cu mecanisme planetare (Figura 1.10).
Două motoare electrice și un motor cu combustie sunt conectate la un mecanism planetar. împreună împart puterea și asigură o transmisie variabilă. Acest sistem se numește și transmisie electronică cu variație continuă (E-CVT).
9 - Transmisie cu variație continuă (Figura 1.10).
Două fulii reglabile cu o curea metalică oferă o variație continuă. Un motor electric ajută la acționarea unei fulii.
9 - Transmisie automată (Figura 1.10).
Un motor electric și o cutie de viteze automată convențională cu hidrotransformator asigură propulsarea automobilului.
9 - Transmisie directă (Figura 1.10).
Motorul electric este legat direct la transmisia principală, o singură treaptă de viteze.
10 - Încărcător intern (Figura 1.10).
Folosit pentru încărcarea bateriei HV de la o sursă de electricitate exterioară.
Tipurile de autovehicule hibride electrice includ: hibridul de tip serie, hibridul de tip paralel și hibridul de tip serie-paralel, fiecare având o configurație specifică a sistemului de propulsie electrică și a modului de cooperare între motorul electric și motorul cu ardere internă.
Configurația de tip serie
În configurația de tip serie, propulsia vehiculului este realizată exclusiv de un motor electric alimentat de la baterii, iar energia electrică necesară încărcării acestor baterii este generată de o altă sursă de energie aflată la bord, cum ar fi un motor cu ardere internă.
În această configurație, motorul termic antrenează un generator, care are două funcții: fie încarcă bateriile, fie alimentează direct motorul electric care pune în mișcare transmisia. Important de menționat este că motorul cu ardere internă nu transmite niciodată puterea direct către roțile vehiculului (Figura 1.11).
Motorul cu ardere internă este utilizat exclusiv pentru a menține nivelul de încărcare al bateriilor, ceea ce înseamnă că vehiculul poate rula chiar și atunci când motorul termic este oprit. Vehiculele hibride de tip serie utilizează, de asemenea, frânarea regenerativă pentru a ajuta la reîncărcarea bateriilor. Un exemplu reprezentativ de hibrid serie este Chevrolet Volt.
Figura 1.11 Diagrama fluxului de energie într-un autovehicul hibrid cu configurația de tip serie
Figura 1.11 Diagrama fluxului de energie într-un autovehicul hibrid cu configurația de tip serie
Motorul termic este proiectat special pentru a funcționa în regimuri de turație și sarcină optime, deoarece nu este conectat direct la roți, ci doar la generatorul de curent.
Avantaje ale hibridului de tip serie:
· Nu necesită transmisie clasică, ambreiaj sau convertizor de cuplu;
· Motorul termic funcționează în regim optime, crescând eficiența generală.
Dezavantaje ale hibridului de tip serie:
· Greutatea suplimentară a motorului termic adăugată la un vehicul (acesta acționând doar ca un încărcător pentru bateria de tensiune înaltă);
· Motorul electric și bateriile trebuie să fie suficient de puternice pentru a asigura deplasarea în toate condițiile de drum, inclusiv în rampe;
· Toată energia necesară pentru funcționarea sistemelor de climatizare (încălzire și aer condiționat) este preluată din baterii, ceea ce poate reduce semnificativ autonomia în regim pur electric, în special în condiții de temperaturi extreme.
Configurația sistem hibrid de tip paralel
Într-un sistem hibrid de tip paralel, sursele de propulsie pot funcționa împreună sau separat — adică, fiecare sursă de energie poate acționa vehiculul individual. În această configurație, atât motorul electric, cât și motorul cu ardere internă sunt conectate la transmisie (Figura 1.12).
Autovehiculele cu sistem hibrid paralel pot fi propulsate fie exclusiv de motorul cu ardere internă, fie doar de motorul electric (valabil în cazul hibrizilor compleți), fie de ambele surse simultan. În majoritatea cazurilor, motorul electric asistă motorul cu ardere internă.
Unul dintre avantajele acestei configurații este posibilitatea utilizării unui motor termic mai mic decât cel necesar într-un sistem convențional, datorită sprijinului oferit de motorul electric.
Un dezavantaj al sistemului hibrid paralel este necesitatea unui software complex pentru a gestiona în mod fluent tranzițiile între sursele de propulsie (electrică și termică). De asemenea, este necesară o configurare suplimentară pentru a asigura funcționarea corespunzătoare a sistemelor de climatizare în perioadele de staționare, când motorul cu ardere internă este oprit.
Figura 1.12 Diagrama fluxului de energie într-un autovehicul cu configurația sistemului hibrid de tip paralel
Configurația sistem hibrid de tip serie-paralel (mixt)
Sistemele hibride de tip serie-paralel îmbină caracteristicile atât ale configurației serie, cât și ale celei paralele (Figura 1.13).
Motorul cu ardere internă poate funcționa chiar și atunci când vehiculul este staționat, dacă unitatea de control electronic detectează că bateriile necesită reîncărcare.
Notă: Motorul cu ardere internă poate porni sau nu atunci când șoferul pornește vehiculul, în funcție de temperatura motorului și alți parametri. Acest comportament poate părea confuz pentru cei care conduc pentru prima dată un autovehicul hibrid și au impresia că motorul nu a pornit când au acționat comanda de pornire.
Figura 1.13 Diagrama fluxului de energie într-un autovehicul cu configurația sistemului hibrid de tip serie-paralel (mixt)
1.2.3 Identificarea automobilelor hibride și electrice
Automobilele hibride pot fi identificate prin intermediul inscripțiilor „Hibrid” de pe automobil sau din compartimentul motor. Pe lângă aceste inscripții, fiecare producător poate să utilizeze diferite strategii de identificare a unui automobil hibrid ex: (Figura 1.14).
Din interior un automobil hibrid poate fi identificat prin următoarele componente:
1. Bateria HV, în portbagaj sau sub podeaua automobilului.
2. Toate componentele ce funcționează cu tensiune înaltă sunt conectate între ele prin intermediul cablurilor de culoare portocalie.
Figura 1.14 Exemple de inscripții caracteristici automobilului Jetta Hybrid
Pe panoul de bord a unor automobile hibrid poate fi regăsit indicatorul READY care prin indicatorul său luminos indică starea sa de funcționare, dacă lumina este intermitentă atunci bateria este descărcată și nu va fi posibil de pornit motorul electric, ia poate fi reprezentată printr-un simbol care la diferite tipuri de vehicule este diferită. (Figura 1.15).
Figura 1.15 Exemple de indicatoare READY pe panourile automobilelor hibride și electrice
Dacă există o defecțiune a sistemului hibrid, atunci pe panoul de bord indicatorul READY arde intermitent, indicând defecțiunii ale sistemului hibrid, sau descărcarea baterii principale. Dacă lumina indicatorului READY este mică, atunci trebuie de verificat dacă clemele baterii auxiliare este conectate corect și nu sunt oxidate.
Conducerea unui autovehicul hibrid electric (HEV) este, în general, asemănătoare cu utilizarea unui autovehicul convențional echipat cu motor cu ardere internă. Totuși, există o serie de particularități care pot influența experiența șoferului și care merită analizate în contextul tehnologiei de propulsie hibridă:
· Oprirea automată a motorului termic
După ce motorul cu ardere internă atinge temperatura optimă de funcționare și sunt îndeplinite condițiile sistemului de gestionare, acesta se poate opri automat în momentul în care vehiculul încetinește și se oprește complet. Pentru șoferii neexperimentați cu tehnologia hibridă, această oprire poate fi interpretată eronat ca o defecțiune, ceea ce poate duce la încercări inutile de repornire.
· Comportamentul frânei la viteze mici
În fazele de decelerare la viteze reduse (aproximativ 8–24 km/h), sistemul de frânare comută de la modul regenerativ la frâna mecanică. Acest proces poate produce o ușoară pulsație în pedala de frână sau o senzație de schimbare a intensității de frânare, fără a afecta performanța generală.
· Direcție asistată electric
Toate autovehiculele hibride electrice sunt dotate cu direcție asistată electric, care rămâne funcțională chiar și atunci când motorul termic este oprit. Acest aspect contribuie la confortul și siguranța conducerii.
· Propulsie electrică silențioasă
În anumite condiții, vehiculul poate fi propulsat exclusiv de motorul electric. Această funcționare aproape lipsită de zgomot poate fi percepută de unii utilizatori ca fiind neobișnuită sau chiar ciudată, în special în zonele urbane liniștite.
· Răspunsul la eliberarea pedalei de accelerație în regim agresiv
La o conducere dinamică, cu accelerări intense, șoferul poate experimenta o ușoară întârziere în reacția vehiculului după eliberarea pedalei de accelerație. Acest fenomen este determinat de:
1. Inerția rotorului motorului electric, care continuă să rotească arborele cotit al motorului termic pentru o fracțiune de secundă;
2. Întârzierea în comutarea modului de funcționare, de la propulsie electrică la frânare regenerativă.
Deși aceste particularități nu afectează siguranța conducerii și sunt rareori sesizate în mod conștient, este important ca șoferii să le cunoască pentru a evita confuzii sau reacții neadecvate în timpul deplasării.
Deținerea unui autovehicul hibrid electric
· Eficiență ridicată a consumului de combustibil
Consumul de combustibil este, în general, mai redus comparativ cu un autovehicul convențional similar, în special în condiții de conducere urbană, unde oprirea automată a motorului și frânarea regenerativă contribuie semnificativ la eficiența energetică. Totuși, autonomia generală a versiunii hibride poate fi comparabilă cu cea a versiunii convenționale, deoarece rezervorul de combustibil al vehiculului hibrid este adesea de capacitate mai mică.
· Cost și greutate mai ridicate
Un autovehicul hibrid electric este, de regulă, mai scump și mai greu decât un model convențional. Costul suplimentar este justificat de prezența bateriei de acumulatoare, a motoarelor electrice și a unităților de control, precum și a componentelor suplimentare necesare pentru funcționarea instalației de climatizare (încălzire și aer condiționat) în perioadele în care motorul termic este oprit.
Acest cost poate fi compensat parțial prin economia de combustibil realizată în timp și, în unele cazuri, prin subvenții sau credite guvernamentale oferite pentru vehiculele cu tehnologii noi. Totuși, pot fi necesari mai mulți ani de utilizare pentru a recupera integral costul suplimentar prin economiile realizate.
Întrebări de autoevaluare:
1. Ce reprezintă un automobil cu propulsie electrică?
Care sunt avantajele principale ale utilizării propulsiei electrice în autovehicule, comparativ cu cele cu motoare cu ardere internă?
3. Ce factor contribuie cel mai mult la limitarea autonomiei autovehiculelor electrice și cum a încercat industria auto să compenseze acest dezavantaj?
4. Ce înseamnă termenul „hibrid” în contextul sistemelor de propulsie ale autovehiculelor?
5. Care sunt cele trei componente principale ale unui sistem de propulsie hibrid și ce rol are fiecare dintre acestea?
6. Cum se clasifică autovehiculele hibride electrice în funcție de configurația sistemului de propulsie?
7. Care este rolul fiecărei componente din sistemul de propulsie hibrid?
8. Cum este realizată configurația de tip serie la un sistem de propulsie hibrid și care este rolul fiecărui motor în această configurație?
9. Cum este realizată configurația de tip paralel la un sistem de propulsie hibrid și cum colaborează motorul termic și motorul electric în funcționarea acestuia?
10. Care este importanța fiecărei configurații hibride (serie, paralel și serie-paralel) în funcție de eficiența energetică și modul de operare al vehiculului?
11. Cum influențează particularitățile tehnologiei hibride experiența de conducere a unui autovehicul hibrid?
12. Care sunt modalitățile prin care se poate identifica un automobil hibrid?
13. Care sunt avantajele și dezavantajele de a deține un autovehicul hibrid sau electric?
BIBLIOGRAFIE
Automotive Electricity and Electronics, 5th Edition Barry Hollembeak, Library of Congress Control Number: 2010923010 ISBN-13: 978-1-4354-7008-8, ISBN-10: 1-4354-7008-7. © 2011 Delmar, Cengage Learning.
AUTOMOTIVE TECHNOLOGY Principles, Diagnosis, and Service F O U R T H E D I T I O N James D. Halderman ISBN-10: 0-13-254261-7, ISBN-13: 978-0-13-254261-6 Copyright © 2012, 2009, 2003, 1999
Ion Lăcustă, Boris Rusu, Mihail Troian, Victor Jeman, Automobile alternative, Chișinău: Centrul Ed. al UASM, 2017. ISBN 631.158:658.345 (075.8)
Electude LMS 2024.4.0.
Page updated
Google Sites
Report abuse