Tema: 1 Sisteme de propulsie 

Studiind această temă, veți fi capabili :

-          să identificați principalele tipuri de sisteme de propulsie utilizate în vehiculele moderne;

-          să caracterizezi funcțiile executate de fiecare tip de automobil cu propulsie hibridă și electrică clasificat.

2.1.1 Introducere: Evoluția nivelurilor de tensiune în sectorul auto

În trecut, tensiunile mai mari de 12/24 V erau utilizate predominant în domenii industriale și în aplicații casnice specifice, unde era necesară alimentarea unor echipamente cu consum ridicat de energie. În sectorul auto, aceste niveluri de tensiune erau considerate nejustificate tehnic și economic, dat fiind consumul redus al sistemelor electrice tradiționale.

În prezent, pe lângă cele două niveluri clasice de tensiune utilizate în sistemele electrice auto – 12/24 V (joasă tensiune) și înaltă tensiune (de obicei peste 60 V) – se anticipează introducerea unui al treilea nivel intermediar, de 48 V. Acest sistem de tensiune este destinat în principal alimentării consumatorilor electrici cu puteri mai mari de 3 kW, care nu pot fi susținuți eficient de rețelele de 12 V.

Printre aplicațiile sistemului de 48 V se numără funcțiile Start-Stop (acest sistem oprește automat motorul la oprirea automobilului, de exemplu, la un semafor, când reluați conducerea, de asemenea, motorul pornește automat și șoferul nu trebuie să folosească cheia de contact pentru acest lucru (Figura 2.1) cu suport de tip Boost și Recuperare, compresoarele electrice pentru aer condiționat, elementele de încălzire electrică, pompele electrice auxiliare, sistemele de direcție asistată electric și, în perspectivă, alte sisteme de confort sau multimedia (cum ar fi echipamentele audio de înaltă performanță).

Trecerea la sistemele de 48 V implică adaptarea atât a arhitecturii electrice a autovehiculului, cât și a elementelor de conversie și protecție.

Odată cu dezvoltarea și extinderea sistemelor de propulsie electrice și hibride în autoturisme și vehicule comerciale, s-a impus utilizarea unor tensiuni semnificativ mai ridicate, care pot atinge și chiar depăși 400–800 V în curent continuu (DC). Această tranziție tehnologică este esențială pentru a permite livrarea unor puteri mari (de ordinul a zeci sau chiar sute de kW), fără a genera curenți excesiv de mari, ceea ce ar necesita cabluri de grosimi nepractice și ar crește pierderile energetice.

Deși Asociația Germană pentru Electrotehnică (VDE) a contribuit la standardizarea parțială a nivelurilor de tensiune, în sectorul auto nu există încă un standard general valabil pentru tensiuni mai mari de 60 V DC. Alegerea nivelului de tensiune depinde de aplicațiile specifice din lanțul de tracțiune electrică.

Avantaje și compromisuri în utilizarea tensiunilor ridicate:

-  Avantaje în distribuția energiei: reducerea curentului permite utilizarea unor cabluri și conectori mai mici.

-  Compromisuri în tehnologia bateriilor: se preferă tensiuni mai mici pentru a reduce numărul de conexiuni între celule și a simplifica sistemul BMS.

Creșterea complexității sistemelor de propulsie electrică a dus la necesitatea clasificării autovehiculelor în funcție de nivelurile de tensiune și de putere utilizate. Această clasificare ajută la stabilirea cerințelor tehnice privind proiectarea, siguranța și întreținerea echipamentelor de înaltă tensiune, dar și la identificarea standardelor de compatibilitate pentru componentele utilizate în sistemele de tracțiune electrică.

Sistemele electrice din vehiculele hibride și electrice sunt grupate în clase de putere, care variază de la sisteme de joasă tensiune (12–48 V), folosite în vehiculele semi-hibride, până la sisteme de înaltă tensiune (peste 400 V), întâlnite în vehiculele electrice cu performanțe ridicate. Fiecare clasă de putere este caracterizată prin valori maxime pentru tensiunea de lucru, curentul electric și momentul motor generat de sistemul de propulsie.

Tabelul 2.1 și Tabelul 2.2 de mai jos oferă o prezentare generală a acestor clase, cu indicarea valorilor maxime relevante pentru proiectarea și analiza tehnică a sistemelor de înaltă tensiune:

Tabelul 2.1 Prezentare generală a claselor de putere în electromobilitate pentru autoturisme

Tabelul 2.2 Prezentare generală a claselor de putere pentru electromobilitate la vehicule utilitare grele și autobuze

2.2     Caracteristicile automobilelor cu propulsie hibridă și electrică

Pe lângă vehiculele electrice cu alimentare exclusiv electrică, pe piață există și automobile hibride, care combină un motor cu ardere internă cu unul sau mai multe motoare electrice. Acestea se diferențiază prin modul de colaborare între cele două sisteme de propulsie (termic și electric), precum și prin capacitățile sistemului electric de a propulsa vehiculul. În funcție de complexitatea sistemului hibrid și de posibilitatea de rulare în mod complet electric, automobilele hibride se împart în mai multe categorii.

Automobilele cu propulsie integral electrică, care utilizează exclusiv energia electrică pentru tracțiune, sunt cunoscute sub denumirea de vehicule electrice cu baterie (BEV – Battery Electric Vehicle). În timpul funcționării, energia necesară este furnizată de o baterie de înaltă tensiune, care se încarcă de la rețeaua electrică.

Totuși, rețeaua electrică nu reprezintă singura sursă posibilă de energie. În funcție de modul de alimentare cu energie electrică utilizată pentru stocarea și alimentarea motoarelor electrice, vehiculele electrice pot fi clasificate în mai multe categorii.

Trecerea către sisteme electrice de înaltă tensiune (48 V, 400 V, 800 V sau chiar mai mult) în domeniul auto necesită o serie de adaptări tehnice esențiale, menite să asigure siguranța, eficiența energetică și fiabilitatea sistemelor de propulsie electrice și hibride. Printre aceste adaptări se numără:

·  Redimensionarea componentelor electrice, cum ar fi conectorii, cablurile și siguranțele, pentru a putea susține noile niveluri de curent și tensiune, fără a compromite performanța sau siguranța sistemului electric. De exemplu, la tensiuni mai mari, curenții pot fi reduși, dar solicitările asupra izolației și protecției cresc considerabil.

·  Implementarea unor soluții avansate de izolație și separare galvanică, pentru a menține o separare clară și sigură între circuitele de joasă tensiune (LV – Low Voltage, 12/24 V) și cele de înaltă tensiune (HV – High Voltage, 400 V+). Acest lucru este esențial pentru a preveni apariția scurtcircuitelor interne, precum și pentru protecția utilizatorilor și a echipamentelor electronice sensibile.

·  Introducerea unor strategii complexe de protecție și siguranță, care includ:

-     Sisteme automate de deconectare a tensiunii în cazul detecției unui defect sau a unui contact periculos.

-     Monitorizarea permanentă a nivelului de izolație între părțile active și masa vehiculului.

-     Echilibrarea potențialelor și împământarea controlată a sistemului HV.

-     Mecanisme de blocare mecanică sau electronică pentru a preveni accesul accidental la componente aflate sub tensiune periculoasă.

-     În plus, odată cu introducerea acestei tehnologii în autovehicule accesibile publicului larg, nu doar personalul calificat, ci și utilizatorii neexperimentați pot intra în contact (direct sau indirect) cu aceste sisteme. Din acest motiv, reglementările impun măsuri stricte de siguranță pentru a preveni atingerile accidentale, inclusiv în cazul avariilor sau accidentelor rutiere.

Întrebări de autoevaluare:

1.   De ce în trecut nivelurile de tensiune mai mari de 12/24 V nu erau considerate potrivite pentru aplicațiile auto?

2.   Care este scopul introducerii sistemelor electrice de 48 V în industria auto și ce tipuri de consumatori deservesc acestea?

3.   Ce avantaje aduce utilizarea tensiunilor ridicate (peste 400 V) în sistemele de propulsie electrică, în comparație cu utilizarea curenților mari?

4.   Cum se clasifică autovehiculele cu propulsie electrică în funcție de nivelul de tensiune și putere, și care sunt valorile maxime ale puterii electromotoarelor corespunzătoare fiecărei clase?

5.   Care sunt principalele tipuri de automobile hibride și cum se diferențiază acestea în funcție de colaborarea dintre motorul termic și cel electric?

6.   Care sunt principalele categorii de vehicule electrice și cum se deosebesc acestea în funcție de sursa de alimentare cu energie electrică?

7.   Care sunt principalele adaptări tehnice necesare pentru implementarea sistemelor electrice de înaltă tensiune în autovehicule și ce rol joacă acestea?

8.   Care sunt strategiile de protecție și siguranță aplicate în vehiculele electrice de înaltă tensiune pentru a preveni riscurile de electrocutare și avarii în exploatare?

BIBLIOGRAFIE

1. 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.

2. 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

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

4. Spannungsklassen in der Elektromobilität Herausgeber: ZVEI - Zentralverband Elektrotechnikund Elektronikindustrie e. V. Kompetenzzentrum Elektromobilität.

5. Программа самообучения 499 Основы электрических приводов автомобилей Устройство и принцип действия