Tema: 11 Transmisia automobilelor hibride și electrice 

Studiind această temă, veți fi capabili :

-          să descrieți soluțiile constructive utilizate în transmisiile automobilelor hibride și electrice, cu accent pe specificul tehnologic al acestora;

-          să explicați principiul de funcționare al cutiei de viteze cu mecanism planetar, utilizată frecvent în sistemele hibride;

-      să interpretați fluxul de energie în regimurile caracteristice de funcționare: accelerarea electrică, pornirea motorului termic, accelerarea combinată, deplasarea cu motor termic sau electric, precum și frânarea regenerativă.

3.11.1 Tipuri constructive de transmisii utilizate la automobilele hibride și electrice

Automobilele hibride și electrice sunt proiectate pentru a îmbina eficiența energetică cu performanțele dinamice, iar acest obiectiv este strâns legat de tipul de transmisie utilizat. Spre deosebire de vehiculele echipate exclusiv cu motoare cu ardere internă, unde cutiile de viteze sunt utilizate pentru a adapta regimul de funcționare al motorului la sarcinile variabile ale vehiculului, în cazul propulsiei hibride și electrice, transmisia trebuie să răspundă unor cerințe funcționale mult mai complexe: gestionarea inteligentă a fluxului de energie, optimizarea regimului de funcționare a surselor de propulsie (termică și/sau electrică) și integrarea cu sistemele de recuperare a energiei.

Iată câteva dintre cele mai comune tipuri de cutii de viteze utilizate în aceste vehicule (Figura 3.95):

Figura 3.95 Tipuri de transmisii utilizate la automobilele hibride și electrice

Transmisie Continuă Variabilă (CVT – Continuously Variable Transmission)

Transmisia automată CVT sau cutia de viteze cu variație continuă permite schimbarea treptelor de viteză ale autovehiculului, menținând turația motorului în plaja de funcționare eficientă. Abrevierea CVT înseamnă Continuously Variable Transmission (Cutia de viteze cu variație continuă). 

-  Unitatea mecatronică - controlează schimbarea treptelor de viteză.

În aceste cazuri, transmisia automată este adaptată pentru a lucra sincronizat cu unitatea de propulsie electrică și cu motorul termic.

Modificările includ:

-  adăugarea unui motor electric între motorul termic și cutia de viteze;

-  introducerea unor ambreiaje controlate electronic;

-  strategii software avansate pentru coordonarea schimbărilor de trepte în funcție de starea bateriei și cererea de putere.

Această transmisie utilizează un ansamblu de angrenaje planetare ce funcționează ca un distribuitor de putere (power-split device), capabil să combine sau să separe fluxurile de energie provenite de la motorul termic și de la unul sau mai mulți motoare electrice. În funcție de cerințele dinamice ale vehiculului și de starea sistemului de stocare a energiei (bateria de înaltă tensiune), unitatea de comandă electronică (ECU) coordonează în timp real distribuția cuplului către roți, alegând între următoarele moduri de propulsie:

-  Deplasare pur electrică (zero emisii, utilizând doar motorul electric);

-  Funcționare combinată (motor electric + motor termic în paralel);

-  Propulsie exclusiv termică (la viteze mari sau când bateria este descărcată);

-  Frânare regenerativă (motorul electric funcționează ca generator, reîncărcând bateria).

Un mecanism planetar clasic, utilizat în transmisia hibridă, este alcătuit din următoarele componente principale (Figura 3.100):

-  Roata solară (roata centrală) – este plasată în centrul sistemului și are dinți exteriori. De regulă, aceasta este antrenată direct de unul dintre motoarele electrice sau de motorul termic.

-  Roțile satelit (sau sateliții) – un set de 3 până la 6 roți dințate montate liber pe port-satelit. Acestea se rotesc atât în jurul propriei axe, cât și în jurul roții solare.

-  Port-satelitul – suportul comun care reține sateliții și le permite mișcarea orbitală în jurul roții solare. Acesta poate transmite cuplul către arborele de ieșire.

-  Roata coroanei (coroana externă) – este o roată inelară cu dinți interiori, în contact cu sateliții. Este utilizată pentru a conecta fie motorul termic, fie roțile, în funcție de configurația sistemului.

3.11.2 Construcția și principiul de funcționare a cutie de viteze cu mecanism planetar

Într-un sistem hibrid tipic, cum ar fi Toyota Hybrid Synergy Drive (HSD), transmisia cu mecanism planetar servește la divizarea cuplului (power-split) între motorul termic și motoarele electrice, în funcție de regimul de operare. Principiul fundamental este acela că energia mecanică produsă de motorul termic poate fi împărțită între roțile vehiculului și generatorul electric, fără a fi nevoie de ambreiaj sau trepte de viteză comutabile.

Mecanismul planetar, datorită versatilității sale constructive și funcționale, oferă oportunități extinse de integrare a mai multor surse de putere într-un sistem unic de transmisie. Acesta reprezintă o soluție eficientă pentru cuplarea motorului cu ardere internă (ICE – Internal Combustion Engine) cu unul sau două motoare electrice (de tip MG1 și MG2 – Motor Generator Unit), fiind un element central în arhitecturile hibride de tip Power-Split (Figura 3.101).

În configurația clasică a unui mecanism planetar simplu, comportamentul cinematic și raportul de transmisie sunt determinate de modul de fixare și acționare al celor trei componente principale: roata solară, port-satelitul și roata coroanei. Aceste configurații permit obținerea unor regimuri variate de funcționare, după cum urmează:

Roata coroanei fixă, roata solară antrenată (Figura 3.102 a)

Această configurație generează un raport mare de reducere, cu o viteză mică de rotație a port-satelitului (elementul condus) și un cuplu crescut. Este utilă în regimurile de demaraj sau la sarcini mari.

Figura 3.102 Configurațiile transmisiei planetare simple cu un singur mecanism planetar

Roata solară fixă, roata coroanei antrenată (Figura 3.102 b)

Se obține un raport mic de transmisie, cu viteză mare de rotație a port-satelitului, dar cu cuplu redus. Acest regim este utilizat frecvent la viteze mari de deplasare.

Port-satelitul fix, roata solară antrenată (Figura 3.102 c)

În acest caz, roata coroanei (elementul condus) se rotește în sens opus față de roata solară, fenomen cunoscut drept inversarea sensului de rotație. Este utilizat, de exemplu, la mersul înapoi sau la controlul frânării regenerative.

Sistemele hibride de tip Power Split – utilizate de producători precum Toyota (Hybrid Synergy Drive Figura 3.103) sau Ford (PowerSplit) – reprezintă o combinație între arhitecturile hibride paralelă și serie. Esența acestui sistem este capacitatea de a diviza fluxul de putere de la motorul termic, prin intermediul unui mecanism planetar, către două direcții simultan:

-  către roțile motoare, prin MG2 (motor electric de tracțiune),

-  către un generator electric, MG1, care poate transforma o parte din energia mecanică în energie electrică pentru a încărca bateria sau pentru a asigura funcția de pornire a motorului termic.

Funcționarea simultană și controlul motoarelor MG1 și MG2

MG1 este conectat, de regulă, la roata solară. Poate funcționa ca generator (în timpul rulării sau al frânării regenerative) sau ca motor de pornire pentru ICE.

MG2 este cuplat la port-satelit și conectat la roțile vehiculului. Funcționează ca motor de tracțiune în regimuri electrice și ca generator în timpul decelerării.

Motorul cu ardere internă este conectat, în general, la roata coroanei și poate antrena fie roțile, fie MG1 (pentru generarea de energie), în funcție de strategia de control.

În regimurile dinamice, unitatea de control electronic (ECU) coordonează în timp real sarcinile fiecărui motor. Sistemul optimizează împărțirea puterii pentru a atinge echilibrul între eficiență, performanță și nivelul de încărcare al bateriei.

3.11.3 Mecanism planetar – fluxul de energie

Transmisia hibridă de tip power-split, utilizată frecvent în sistemele full-hybrid, permite o gestiune inteligentă și continuă a energiei mecanice și electrice prin intermediul unui mecanism planetar. Acest sistem coordonează activitatea motorului cu ardere internă (ICE), a celor două motoare electrice (MG1 și MG2), a bateriei de înaltă tensiune și a invertorului, în funcție de condițiile de rulare, starea de încărcare a acumulatorului și solicitările de cuplu sau putere.

Pornirea vehiculului (Figura 3.104).

În faza de pornire de pe loc, propulsia este asigurată exclusiv de către motorul electric MG2, alimentat de la bateria de înaltă tensiune (HV). În acest regim, motorul cu ardere internă (ICE) este oprit, iar generatorul MG1 se rotește în sens opus față de MG2, fără a genera curent electric. Această strategie optimizează consumul de combustibil și reduce emisiile în fazele de demaraj, unde motoarele electrice oferă un cuplu ridicat disponibil instantaneu.

Accelerarea  (Figura 3.105).

Când cerințele de cuplu depășesc capacitatea de furnizare a motorului MG2 (de exemplu, în timpul unei accelerații susținute sau la urcare), MG1 este utilizat pentru a porni motorul cu ardere internă. Pornirea motorului termic se face automat, pe baza comenzilor primite de la unitatea de control electronic (ECU), în funcție de starea de încărcare a bateriei HV și de condițiile termice. Odată pornit, motorul cu ardere internă participă la propulsie și, în același timp, antrenează MG1, care funcționează ca generator pentru a reîncărca bateria de înaltă tensiune prin intermediul invertorului.

Deplasarea la sarcină redusă (Figura 3.106).

În regimuri de sarcină parțială, cum ar fi mersul constant cu viteză redusă sau medie, motorul cu ardere internă este activ, iar transmisia planetară împarte energia mecanică produsă de acesta în două fluxuri:

-  un flux direcționat către roțile motoare, prin MG2;

-  un flux direcționat către MG1, care funcționează ca generator, convertind energia mecanică în energie electrică.

Aceasta este utilizată fie pentru a suplimenta cuplul livrat de MG2, fie pentru a reîncărca bateria. Astfel, sistemul menține eficiența funcționării motorului termic prin stabilizarea turației într-un domeniu optim. 

Accelerația la putere maximă (Figura 3.107).

Atunci când vehiculul necesită o putere de propulsie maximă (de exemplu, în timpul unei accelerații bruște sau la o depășire), sistemul activează simultan toate sursele de energie disponibile. Cuplul maxim este obținut prin combinarea puterii motorului cu ardere internă și a motorului MG2, care este alimentat cu energie electrică suplimentară din bateria HV. În această situație, MG1 poate funcționa temporar ca generator sau poate menține echilibrul în sistemul de transmisie prin reglarea turațiilor relative.

Decelerarea și frânarea regenerativă (Figura 3.108).

În timpul decelerării sau frânării, motorul cu ardere internă este oprit, iar MG2 funcționează ca generator, recuperând energia cinetică a vehiculului. Această energie este transformată în electricitate și stocată în bateria HV. Această funcție contribuie semnificativ la eficiența globală a sistemului hibrid, permițând reutilizarea energiei care altfel s-ar pierde sub formă de căldură în sistemul de frânare convențional.

Pentru a preveni variații excesive de turație între componentele angrenajului planetar – în special în timpul frânărilor de la viteze mari – sistemul electronic de control menține motorul termic la o turație prestabilită, protejând astfel integritatea mecanismului de transmisie.

Mersul înapoi (reversul)

În regim de mers înapoi, propulsia este realizată exclusiv de MG2, care rotește roțile în sens invers. Motorul cu ardere internă rămâne oprit, iar MG1 nu este implicat în procesul de propulsie. Această soluție contribuie la reducerea complexității mecanice a transmisiei și la o manevrabilitate mai eficientă a vehiculului în regim de mers înapoi.

Funcționarea coordonată a celor trei componente principale – motorul termic, MG1 și MG2 – este gestionată automat de unitatea de control electronic al sistemului hibrid (HCU – Hybrid Control Unit), care ia decizii în timp real pentru optimizarea performanței dinamice, a consumului de energie și a impactului asupra mediului.

Întrebări de autoevaluare:

1.   Ce cerințe funcționale trebuie să îndeplinească transmisia la vehiculele hibride și electrice și care sunt principalele tipuri constructive utilizate?

2.   Cum funcționează transmisia de tip CVT (Continuously Variable Transmission) și care sunt avantajele și limitările acesteia în aplicațiile hibride?

3.   Ce rol îndeplinește convertizorul de cuplu într-o transmisie automată clasică adaptată pentru sistemele de propulsie hibride?

4.   De ce este posibilă utilizarea unui reductor fix (transmisie directă) în vehiculele electrice pure, fără a compromite performanțele dinamice ale autovehiculului?

5.   Cum contribuie mecanismul planetar utilizat în sistemele de tip eCVT (Power Split Device) la managementul fluxului de energie în vehiculele hibride?

6.   Care sunt componentele principale ale unui mecanism planetar utilizat în transmisia hibridă și ce rol funcțional are fiecare dintre acestea în cadrul ansamblului de propulsie?

7.   Care este rolul transmisiei cu mecanism planetar în sistemele hibride de tip Power-Split și cum contribuie aceasta la divizarea fluxului de putere?

8.   Cum influențează diferitele configurații de fixare și antrenare ale componentelor mecanismului planetar comportamentul cinematic și raportul de transmisie al sistemului?

9.   Ce funcții îndeplinesc motoarele electrice MG1 și MG2 într-un sistem de propulsie hibrid, iar cum interacționează acestea cu motorul termic prin intermediul mecanismului planetar?

10.   Cum contribuie unitatea de control electronic (ECU) la optimizarea performanței și eficienței energetice într-un sistem hibrid cu transmisie de tip Power-Split?

11.   Cum este gestionat fluxul de energie într-un sistem hibrid de tip power-split în funcție de regimul de rulare al vehiculului?

12.   Care este rolul fiecărei componente principale (MG1, MG2 și motorul cu ardere internă) în diferitele faze de operare ale transmisiei hibride, precum pornirea, accelerarea sau mersul înapoi?

13.   Cum contribuie frânarea regenerativă la eficiența energetică a vehiculelor hibride și ce rol joacă MG2 în acest proces?

14.   În ce mod diferă fluxul de energie în regimurile de accelerare la putere maximă față de cele de deplasare la sarcină redusă, din perspectiva surselor de energie și a distribuției cuplului?

BIBLIOGRAFIE

1.   Richard Fisher et al., Tehnologia automobilului modern. Traducere în română. Coord.: prof. univ. dr. Mircea Oprean et al. Editura XMeditor, 2020. ISBN 2000000676431. Traducere după cartea europeană de referință în tehnologia autovehiculelor: Fischer, Richard; Gscheidle, Rolf; Gscheidle, Tobias; Heider, Uwe; Hohmann, Berthold; van Huet, Achim; Keil, Wolfgang; Lohuis, Rainer; Mann, Jochen; Schlogl, Bernd; Wimmer, Alois; Wormer, Gunter. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 30th ed. Verlag Europa-Lehrmittel, 2013.

2.   Ion Lăcustă, Boris Rusu, Mihail Troian, Victor Jeman, Automobile alternative, Chișinău: Centrul Ed. al UASM, 2017. ISBN 631.158:658.345 (075.8)

3.   Программа самообучения Self-study programme 675  Audi e-tron (type GE)

4.   Руководства по ремонту. TOYOTA Auris 1.8 VVT-i HSD (2ZR-FXE (3JM)) 2010 – 2013

5.   Electude LMS 2024.4.0.