Tema: 2 Automobile full electric 

Studiind această temă, veți fi capabili :

-          să înțelegeți principiile de funcționare ale automobilelor full electric;

-          să identificați diversele configurații ale sistemului de propulsie electrică;

-          să analizați avantaje și dezavantaje ale diferitelor tipuri de configurații electrice, inclusiv impactul asupra performanței și autonomiei vehiculului.

2.2.1 Construcția și principiul de funcționare a automobiler cu propulsie pur/full electric

Automobilele complet electrice (EV – Electric Vehicle) se bazează exclusiv pe utilizarea energiei electrice pentru a genera mișcarea. Vehiculele echipate exclusiv cu sisteme de propulsie electrică devin din ce în ce mai populare, iar ponderea lor în parcul auto este în continuă creștere. Aceste autovehicule nu produc emisii nocive direct în mediul înconjurător și au un nivel de zgomot extrem de redus. Cu toate acestea, este important să fie luate în considerare emisiile care pot rezulta din procesul de generare a energiei electrice. Iată câteva elemente cheie ale unui sistem de propulsie electric (Figura 2.2).

Figura 2.2 Schema automobilului cu propulsiei pur/full electric

1 - motorul electric, 2 - unitatea de putere, 3 - cablurile de tensiune înalte, 4 - baterie de tensiune înaltă, 5 - încărcător intern, 6 - conectorul de încărcare, 7 - compresorul sistemului de climatizare, 8 - încălzitorul electric.

Motor electric: Automobilul electric este echipat cu un motor electric care convertește energia electrică stocată în baterie în mișcare mecanică (Figura 2.3, a). Motoarele electrice pot fi de diferite tipuri, cum ar fi motoare cu curent continuu (DC) sau cu curent alternativ (AC), incluzând motoare sincrone și asincrone.

Baterie de tensiune înaltă: Bateria reprezintă sursa principală de energie pentru automobilul electric. Aceasta stochează electricitatea necesară pentru a alimenta motorul electric (Figura 2.3, a). Bateriile utilizate în vehiculele electrice sunt de obicei de tip Litiu-ion, datorită densității ridicate de energie și a capacității lor de a furniza energie pentru un număr mare de cicluri de încărcare și descărcare.

Figura 2.3 Schema regimurilor de funcționare a unui automobil cu propulsie pur/full electrică

1 - motorul electric, 2 - unitatea de putere, 3 - baterie de tensiune înaltă, 4 - compresorul sistemului de climatizare, 5 - încălzitorul electric, 6 - conectorul de încărcare.

Unitatea de putere (controler electronic): Un controler electronic gestionează fluxul de energie între baterie și motorul electric (Figura 2.3, a și b). Acesta reglează și optimizează funcționarea motorului pentru a asigura o accelerare lină, o eficiență maximă și o durată de viață a bateriei extinsă.

Sistem de regenerare a energiei: Automobilele electrice sunt echipate cu sisteme de regenerare a energiei, care transformă energia cinetică generată în timpul frânării/decelerării în energie electrică și o returnează în baterie pentru a crește eficiența energetică (Figura 2.3, b).

Încărcare intern: Pentru a alimenta bateria cu energie electrică, vehiculele electrice pot fi încărcate la stațiile de încărcare publice sau acasă, utilizând încărcătoare speciale. Există diferite standarde și viteze de încărcare, iar tehnologiile evoluează constant pentru a reduce timpul de încărcare și a crește autonomia vehiculelor electrice.

Funcționarea sistemelor de climatizare și încălzire. Când un vehicul electric este oprit, de exemplu într-un ambuteiaj, motorul/generatorul electric nu necesită energie electrică pentru a conduce. Modul de climatizare setat de pasageri se realizează folosind un încălzitor de înaltă tensiune și un compresor de aer condiționat de înaltă tensiune (Figura 2.3, c).

Transmisie: Spre deosebire de motoarele cu ardere internă, motoarele electrice generează un cuplu uniform pe o gamă largă de turații, făcând inutilă utilizarea unei transmisii manuale, a unei transmisii automate sau chiar a unui ambreiaj (Figura 2.4). De asemenea, este posibil să se conducă în sens invers, fără a fi necesară o cutie de viteze. Motoarele electrice pornesc autonom și, prin urmare, nu necesită un dispozitiv de pornire.

Figura 2.4 Schema propulsiei electrice conectate la transmisia principală de la automobilul Tesla Roadster cu o singură treaptă

2.2.2 Configurația propulsiei electrice

Una dintre cele mai importante probleme ale tracțiunii sistemului de propulsie electrică constă în modul de amplasare a motorului de tracțiune pe vehicul și de acționare a roților motoare. Acesta trebuie să asigure atât transmiterea cuplului motor, cât și protejarea motorului de tracțiune față de șocurile primite de la calea de rulare. În plus, la vehiculele cu roți pneumatice, transmiterea cuplului motor trebuie să se realizeze astfel încât să se asigure independența roților motoare, pentru a reduce uzura pneurilor.

În dependență de poziția acestuia ele se pot fi clasifica în:

• Propulsie cu motor electric conectat la transmisia principală;

• Propulsie cu motor electric conectat la butucul roților.

Propulsie cu motor electric conectat la transmisia principală

Propulsie cu motor electric conectat la transmisia principală sunt mai simplu de implementat, de aceia practic ele se regăsesc la toate automobilele electrice ca exemplu: Nissan LEAF, Tesla Model S, BMW i3 (Figura 2.5).

Figura 2.5 Exemple de configurații ale automobilelor electrice cu sistem de propulsie prin motor electric conectat la transmisia principală.

Nissan Leaf este unul dintre cele mai vândute și populare automobile electrice din lume cu motor electric conectat la transmisia principală, cunoscut pentru performanțele sale bune, autonomia satisfăcătoare și accesibilitatea sa.

Aceste caracteristici fac din Nissan Leaf un vehicul popular pe piața auto electrică, cu o bază largă de clienți și o reputație solidă în ceea ce privește fiabilitatea și costurile reduse de întreținere. O diagramă detaliată vehicul electric Nissan Leaf este reprezentată în (Figura 2.6).

Tabelul 2.3 Componentele sistemului de propulsie și de tensiune înaltă a autovehiculului Nissan Leaf  figura 2.6.

Propulsie cu motor electric conectat la butucul roților.

Antrenarea autovehiculului electric poate fi realizată și cu motoare amplasate direct în butucul roților. În acest caz, fiecare roată acționată dispune de propriul motor electric (Figura 2.7). Acest tip de sistem de propulsie elimină necesitatea arborilor de transmisie, ceea ce simplifică considerabil construcția vehiculului.

Figura 2.7 Sistem de antrenare în butucul roților la automobilul Mercedes BRABUS

Pentru acționarea individuală a roților motoare ale unui autovehicul electric, între motorul electric și roată se poate introduce un angrenaj reductor.

Reductor este un sistem mecanic format din roți dințate (pinioane și roți conducătoare Figura 2.8) care reduce turația de ieșire față de turația de intrare. Practic, motorul electric-care funcționează la turații relativ ridicate - transmite mișcarea de rotație către roată prin acest reductor, rezultând o scădere a turației, dar în același timp o creștere a cuplului transmis. 

Una dintre provocările majore ale transmisiilor cu motor electric montat direct în roată este creșterea masei nesuspendate a acesteia. O masă mai mare generează forțe de inerție crescute, orice șoc aplicat roții (cum ar fi o denivelare sau o pană de cauciuc) poate fi transmis direct către motorul electric montat în butuc, crescând riscul de avarii severe.

Suspensia montată în roată (Figura 2.9) poate ajuta la minimizarea efectului masei suplimentare asociate cu motorul electric. 

2.2.3 Avantaje și dezavantaje Propulsie cu motor electric

1. Propulsie cu motor electric conectat la transmisia principală

Avantaje:

·  Distribuția echilibrată a masei: Motorul electric este amplasat într-o poziție centrală, ceea ce ajută la o distribuție mai uniformă a greutății vehiculului, contribuind la stabilitatea acestuia.

·  Răcire mai ușoară: Motoarele electrice conectate la transmisia principală sunt de obicei mai ușor de răcit, datorită poziționării lor și accesului mai ușor la sistemele de răcire.

·  Durabilitate și fiabilitate: Acest tip de sistem are o construcție mai simplă și mai puține componente expuse la șocuri directe sau condiții extreme de drum.

·  Control mai ușor: Având motorul electric într-o poziție fixă și controlată de transmisia principală, gestionarea vitezelor și a puterii se face mai eficient, fără a fi necesar un control suplimentar al roților individuale.

Dezavantaje:

·  Complexitatea transmisiei: Conectarea motorului la transmisia principală poate implica un sistem mai complicat, cu mai multe componente mecanice, ceea ce poate crește costul de producție și întreținere.

·  Pierderi de eficiență: Uneori, transmiterea puterii prin transmisie poate duce la pierderi de energie, comparativ cu soluțiile mai directe, cum ar fi motoarele montate în roată.

·  Masa suplimentară: Transmisia principală adaugă greutate suplimentară vehiculului, ceea ce poate afecta autonomia și performanța acestuia, mai ales în cazul vehiculelor electrice.

2. Propulsie cu motor electric conectat la butucul roților

Avantaje:

·  Eficiență ridicată: Motoarele electrice montate direct în butucul roții elimină pierderile de putere asociate cu transmisia, oferind o eficiență energetică mai mare.

·  Control independent al fiecărei roți: Permite controlul individual al fiecărei roți, ceea ce poate îmbunătăți tracțiunea și stabilitatea vehiculului, mai ales în condiții de drum dificil sau în viraje.

·  Simplificarea sistemului mecanic: Elimină necesitatea unei transmisii complexe sau a unui sistem de cardan, ceea ce reduce numărul componentelor mecanice și poate duce la o reducere a greutății vehiculului.

·  Compactitate: Designul permite integrarea motorului direct în roată, economisind spațiu și oferind mai multă libertate în proiectarea vehiculului.

Dezavantaje:

·  Masa nesuspendată mai mare: Instalarea motorului în butucul roții crește masa nesuspendată, ceea ce poate afecta performanța vehiculului, în special în ceea ce privește confortul la rulare și maniabilitatea.

·  Sensibilitate la șocuri: Roțile sunt expuse la șocuri și vibrații mult mai intense, ceea ce poate afecta fiabilitatea motorului electric și a altor componente ale sistemului de propulsie.

·  Costuri ridicate de producție: Tehnologia de integrare a motorului în butucul roții este mai complexă și costisitoare decât soluțiile tradiționale.

·  Control complex al roților: Necesită un sistem de control avansat pentru a asigura o rotație sincronizată și pentru a compensa diferențele de viteză ale roților, mai ales în viraje.

Întrebări de autoevaluare:

1.   Care sunt principalele componente ale unui sistem de propulsie electrică într-un automobil complet electric?

2.   Ce tipuri de motoare electrice pot fi utilizate în automobilele electrice și care este diferența între ele?

3.   Cum funcționează sistemul de regenerare a energiei într-un vehicul electric și ce rol joacă acesta în eficiența energetică?

4.   Ce avantaje aduce utilizarea unui controler electronic (unitate de putere) într-un automobil electric?

5.   De ce nu este necesară o transmisie manuală sau automată într-un automobil electric și cum influențează acest lucru conducerea?

6.   Cum se clasifică sistemele de propulsie electrică în funcție de modul de amplasare a motorului de tracțiune și acționarea roților motoare?

7.   Care este construcția și destinația componentelor de tensiune înaltă ale automobilului Nissan Leaf, inclusiv motorul electric, transformatorul booster și unitatea de putere?

8.   Cum funcționează sistemul de propulsie electrică cu motor montat direct în butucul roților și ce avantaje aduce acesta față de alte tipuri de propulsie electrică?

9.   Care sunt provocările majore ale transmisiilor cu motor electric montat în butucul roților?

10.   Care sunt avantajele și dezavantajele unui sistem de propulsie electrică conectat la transmisia principală în comparație cu un sistem de propulsie cu motor electric montat direct în butucul roților?

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