Tema: 4 Automobile full hybrid  

Studiind această temă, veți fi capabili :

-          să descrieți construcția generală a unui automobil full hybrid;

-          să identificați rolul componentelor principale (motor termic, motor electric, baterie, unitate de putere, etc.) într-un sistem full hybrid;

-          să analizați configurațiile constructive ale sistemelor de propulsie full hybrid.

2.4.1 Construcția și principiul de funcționare a automobiler cu propulsie full-hibrid

 Automobilul cu propulsie full-hibrid (sau hibrid complet) reprezintă o soluție avansată în domeniul mobilității sustenabile, caracterizată prin integrarea funcțională a unui motor cu ardere internă (MAI) și a unuia sau mai multor motoare electrice. Spre deosebire de sistemele mild-hibrid, vehiculele full-hibrid dispun de capabilități extinse, permițând propulsia exclusiv electrică, exclusiv termică sau combinată, în funcție de condițiile de funcționare și strategia de control implementată în unitatea de comandă electronică (ECU).

Aceste elemente funcționează în armonie, gestionate de o unitate de control electronică ce monitorizează parametri precum starea de încărcare a bateriei, poziția pedalei de accelerație, comanda de frânare și regimul de funcționare al motorului termic.

Moduri de operare ale sistemului full-hibrid

a) Mod de propulsie electrică

În acest regim (Figura 2.18 a), motorul cu ardere internă este complet decuplat, iar vehiculul este propulsat exclusiv de motorul electric. Acest mod este utilizat, în general, în condiții de viteză redusă și sarcină scăzută (ex. deplasare urbană sau demaraje ușoare). Bateria de înaltă tensiune furnizează energia necesară funcționării motorului electric, permițând o rulare silențioasă și cu emisii zero. Comparativ cu vehiculele semi-hibride, sistemele full-hibrid sunt echipate cu baterii de capacitate superioară, asigurând o autonomie mai extinsă în mod pur electric.

b) Mod de propulsie prin motor cu ardere internă (MAI)

În acest scenariu (Figura 2.18 b), motorul termic este utilizat atât pentru propulsia vehiculului, cât și pentru încărcarea bateriei prin intermediul unui generator. Unitatea de comandă optimizează regimul de funcționare al MAI pentru a-l menține în zone de eficiență ridicată. Sistemul permite și recuperarea termică: energia termică rezultată din funcționarea MAI este utilizată pentru încălzirea habitaclului prin intermediul circuitului lichidului de răcire.

c) Mod de propulsie paralelă (funcționare combinată)

Când cererea de putere este ridicată – de exemplu, în timpul accelerărilor puternice sau la urcarea pantelor (Figura 2.18 c) – motorul electric funcționează simultan cu motorul cu ardere internă. Puterea dezvoltată de ambele surse este cumulată pentru a asigura performanțe dinamice sporite. Acest mod este tranzitoriu și apare în general în condiții de sarcină maximă.

Figura 2.18 Schema automobilului cu propulsiei full-hibrid

1 - Motorul electric, 2 - Unitatea de putere, 3 - Baterie de tensiune înaltă, 4 - Motor cu ardere internă.

d) Mod de regenerare a energiei de frânare

În timpul decelerărilor sau frânărilor (Figura 2.18 d), motorul electric funcționează ca un generator: energia cinetică a vehiculului este transformată în energie electrică, care este apoi stocată în bateria de înaltă tensiune. Acest proces contribuie la creșterea eficienței energetice generale și reduce necesitatea utilizării sistemului de frânare convențional.

2.4.2  Configurația propulsiei full-hibrid

Sistemele de propulsie full-hibrid pot fi regăsite într-o varietate de configurații constructive, în funcție de arhitectura producătorului. Printre cele mai cunoscute implementări comerciale (Figura 2.19) se numără:

Toyota Prius, model emblematic al tehnologiei hibride,

Honda Accord Hybrid, cu un sistem de control sofisticat pentru tranziții eficiente între sursele de energie,

Lexus RX 400h, SUV de lux cu sistem hibrid performant și autonomie extinsă.

Aceste modele exemplifică integrarea eficientă a tehnologiei full-hibrid în automobilele moderne, oferind un echilibru optim între performanță, economie de combustibil și reducerea emisiilor poluante.

Figura 2.19 Exemple de Scheme a sistemului de propulsie full-hibrid

Toyota Prius reprezintă primul automobil hibrid complet („full hybrid”) produs în masă, remarcându-se prin integrarea a două surse de propulsie: un motor termic și un motor electric. Sistemul de propulsie, denumit Toyota Hybrid System (THS), permite deplasarea vehiculului în trei moduri distincte: exclusiv electric, exclusiv termic sau în regim combinat, în funcție de condițiile de rulare și solicitările dinamice.

Sistemul de propulsie THS utilizează următoarele componente majore (Figura 2.20):

Motor termic cu eficiență ridicată.

Două motoare electrice:

MG1 (Motor Generator 1) – funcționează ca generator, demaror și variator de turație;

MG2 (Motor Generator 2) – motor electric principal de tracțiune și generator în regim de frânare regenerativă;

Mecanism planetar PSD (Power Split Device) – funcționează ca dispozitiv de divizare a puterii și cutie de viteze cu variație continuă;

Mecanismul planetar este alcătuit din trei componente:

Roată solară – cuplată la MG1;

Platou port-sateliți – solidar cu motorul termic;

Coroană dințată – antrenată de MG2 și conectată la transmisia finală.

Prin variarea turației acestor elemente, sistemul permite obținerea unui raport de transmisie continuu variabil, comparabil funcțional cu o transmisie CVT, dar fără utilizarea unui convertizor de cuplu sau ambreiaj.

Lanț de transmisie, reductor mecanic și diferențial – pentru adaptarea cuplului și transmiterea acestuia către roțile motoare.

Arhitectura transmisiei hibrid THS a evoluat în timp. Generațiile I și II ale Prius utilizează o arhitectură cu un singur mecanism planetar, în timp ce generațiile III și IV sunt echipate cu două mecanisme planetare (Figura 2.21), ceea ce permite obținerea a patru trepte virtuale de viteză, apropiind comportamentul sistemului de cel al unei transmisii CVT.

Figura 2.21 Schema sistemului de propulsie de la automobilul Toyota Prius generația I și II

1.Motor termic (ICE – Internal Combustion Engine); 2. Ambreiaj de tip „damper” (amortizor de vibrații); 3. Generator electric MG1; 4. Mecanismul planetar (PSD.1 și PSD.2); 4a. Sateliți; 4b. Solara; 4c. Coroană; 4d. Port sateliții; 5. Motor electric MG2; 6. Transmisie prin lanț; 7. Reductor; 8. Transmisie principală 9. Roți motoare; 10. Invertor; 11. Convertor DC/DC (pentru alimentarea sistemului de 12V); 12. Baterie de înaltă tensiune; 13. Bateria de 12 V.

Automobilul Toyota Prius dotat cu transmisie mixtă utilizează în mod coordonat două surse de energie: un motor cu ardere internă (M.A.I.) și una sau două mașini electrice (MG1 și MG2), pentru a asigura o propulsie eficientă, cu emisii reduse și consum optim de combustibil.

1. Regimuri de propulsie în funcție de condițiile de exploatare:

Pornirea de pe loc (mod electric)

Pentru deplasarea de la punctul de staționare, propulsia este asigurată exclusiv de motorul electric MG2. Motorul termic rămâne oprit (Figura 2.22), ceea ce contribuie la reducerea consumului de combustibil și a emisiilor.

Regim normal de funcționare (mod hibrid optimizat)

La viteze reduse sau medii și în condiții de încărcare scăzută, sistemul de comandă electronică optimizează funcționarea combinată a M.A.I. și a motorului electric, pentru a obține un consum redus și o eficiență crescută. Dacă cerința de putere este mică, motorul termic este oprit, iar deplasarea se realizează exclusiv electric. Când viteza vehiculului depășește o valoare limită (~50 km/h) sau în timpul accelerării, motorul termic este pornit cu ajutorul MG1 care acționează ca demaror (Figura 2.23), fiind alimentat de invertor. MG1 și MG2 se rotesc în același sens.

Accelerație (mod hibrid complet)

După pornirea M.A.I., acesta își crește turația și antrenează MG1 care funcționează ca generator. Energia produsă este utilizată pentru alimentarea MG2. Pentru a menține o viteză constantă la turații înalte, MG1 este blocat (turație zero). MG2 este alimentat cu energie de la baterie, iar propulsia este asigurată în mod hibrid. Pentru accelerații intense, M.A.I. furnizează putere maximă. MG1 alimentează MG2 cu energie electrică, iar bateria furnizează suplimentar energia necesară pentru dezvoltarea cuplului maxim (Figura 2.24). La Viteze maxime MG1 funcționează ca motor, rotindu-se invers față de MG2 (Figura 2.25). Astfel, bateria alimentează cu energie electrică atât motorul electric MG2 cât și MG1.

Frânare și decelerare (mod regenerativ)

În timpul frânării, dacă viteza autovehiculului este mai mare de aproximativ 50 km/h, motorul cu ardere internă (M.A.I.) poate continua să funcționeze pentru o perioadă scurtă (Figura 2.26). Totuși, atunci când viteza scade sub această limită, M.A.I. este oprit automat, iar motorul electric MG2 trece în regim de generator (Figura 2.27). În acest regim, energia cinetică a roților este transformată în energie electrică, care este stocată în bateria de înaltă tensiune.

Sistemul clasic de frânare hidraulică intervine doar atunci când șoferul solicită o frânare mai intensă decât poate fi realizată prin frânarea regenerativă. Controlul acestei tranziții este gestionat de unitatea electronică de comandă, care interpretează semnalul de la senzorul de poziție al pedalei de frână pentru a decide momentul activării sistemului hidraulic.

Compania Nissan a propus o arhitectură hibridă alternativă, care utilizează un motor electric MG1 dedicat exclusiv generării de energie, cu avantajul unei integrări spațiale mai eficiente și a unei dinamici de reacție îmbunătățite.

Mersul înapoi

Automobilul este propulsat exclusiv electric, MG2 funcționând ca motor în sens invers. M.A.I. este oprit, MG1 se rotește liber. Energia este furnizată din bateria HV.

Roata solară, port-sateliții și coroana din ansamblul planetar sunt conectate fiecare la câte un element activ al sistemului: motorul termic, motorul electric sau roțile vehiculului. De exemplu, motorul termic transmite mișcarea către port-sateliți, în timp ce unul dintre motoarele electrice este conectat la roata solară și controlează indirect turația motorului cu ardere internă, iar celălalt motor electric, legat la coroana dintată, transmite direct mișcarea către roți. Prin modificarea vitezei de rotație a motorului electric conectat la roata solară, sistemul poate crește sau micșora raportul de transmisie, fără să comute între trepte fixe, ci printr-o tranziție lină și continuă.

Această soluție permite ca vehiculul să accelereze fără șocuri, oferind confort și eficiență. În plus, în timpul decelerării sau frânării, motorul electric acționează ca un generator, transformând energia cinetică în energie electrică, care este apoi stocată în bateria de înaltă tensiune. Astfel, sistemul nu doar că elimină nevoia unui convertizor de cuplu, dar maximizează și recuperarea energiei, contribuind la un consum redus de combustibil și emisii scăzute. Arhitectura este compactă, fiabilă și a devenit simbolul propulsiei hibride Toyota, fiind aplicată pe scară largă în diverse modele de serie.

În sistemele hibride de la Honda, mai exact în sistemul denumit i-MMD (Intelligent Multi-Mode Drive) este integrat un motor termic (M.A.I.), un generator, un motor electric de tracțiune, o baterie de înaltă tensiune (HV) și un invertor. Acest sistem permite trecerea automată între modurile de funcționare în funcție de condițiile de rulare și sarcina motorului.

Modul electric (EV Mode) (Figura 2.29 a)

În această stare, motorul termic este oprit. Propulsia este realizată exclusiv de motorul electric, alimentat de bateria de înaltă tensiune. Este modul ideal pentru deplasarea la viteze mici sau în oraș, când se dorește un consum minim de combustibil și emisii zero.

Frânare cu recuperare de energie (Figura 2.29 b)

Motorul electric principal funcționează invers, ca generator, convertind energia cinetică a roților în energie electrică. Această energie este transmisă către invertor și apoi stocată în bateria de înaltă tensiune (HV). Astfel, energia care altfel s-ar pierde prin frecarea mecanică a frânelor este recuperată și reutilizată, crescând eficiența energetică a sistemului.

 Modul hibrid în serie (Hybrid Mode – Series) (Figura 2.29 c)

Motorul termic funcționează, dar nu este conectat direct la roți. Acesta acționează generatorul, care produce curent electric pentru alimentarea motorului electric de tracțiune. Bateria poate interveni suplimentar pentru a oferi energie în cazul cerințelor sporite. Acest mod este activat de regulă la accelerații puternice sau sarcină crescută.

Modul hibrid în paralel (Engine Drive Mode / Highway Mode) (Figura 2.29 d)

La viteze de croazieră, motorul termic este cuplat direct la roți printr-un ambreiaj și oferă propulsie cu eficiență maximă. Motorul electric poate interveni ușor pentru asistență, iar generatorul poate produce energie pentru a încărca bateria. Este cel mai eficient mod de rulare pe distanțe lungi, cu consum redus.

Acest sistem elimină nevoia unei cutii de viteze clasice, folosind un set de ambreiaje și conexiuni directe pentru a gestiona tranziția fluidă între moduri. Astfel, Honda i-MMD optimizează constant consumul și performanța în funcție de condițiile reale de rulare.

Figura 2.29 Sistemul de propulsie denumit i-MMD (Intelligent Multi-Mode Drive) de la Honda

Arhitectura hibridă propusă de Nissan integrează un motor termic, două motoare/generatoare electrice și o transmisie CVT (Figura 2.30). Motorul cu ardere internă este cuplat printr-un ambreiaj la restul sistemului de propulsie. Primul motor electric, M/G 1, funcționează ca generator și ajută la controlul fluxului de energie. Al doilea motor electric, M/G 2, contribuie direct la propulsia vehiculului, fie în mod electric, fie asistând motorul termic. Între cele două motoare/generatoare și bateria de înaltă tensiune se află un invertor, care transformă curentul continuu în curent alternativ și invers. Transmisia folosită este de tip CVT, cu curea, ceea ce permite variația continuă a raportului de transmisie fără trepte fixe. Cuplul rezultat este transmis către roțile motoare prin intermediul transmisiei principale. Bateria HV alimentează sistemul electric și se încarcă în timpul frânării regenerative, când M/G 2 funcționează ca generator. Sistemul permite mai multe moduri de rulare: electric pur, hibrid serie, hibrid paralel și regenerare.

Figura 2.30 Arhitectura hibridă propusă de compania Nissan

1.   Motot electric MG1; 2. Invertorul; 3 Bateria HV; 4. Cutia de viteză CVT; 5. Motot electric MG2; 6. Ambreiaj; 7. Motor cu ardere internă, 8. Transmisie prin curea

Automobilele full-hibride se regăsesc nu doar în segmentul autoturismelor, ci și în cel al vehiculelor comerciale grele. Un exemplu este Volvo Trucks, care utilizează o tehnologie hibridă paralelă, în care motorul Diesel și motorul electric pot funcționa fie separat, fie împreună, în funcție de condițiile de rulare.

Motorul electric are trei funcții principale:

1. Propulsarea camionului în regim complet electric.

2. Recuperarea energiei la frânare și încărcarea bateriilor.

3. Pornirea motorului termic.

La frânare, energia cinetică este transformată în energie electrică și stocată în bateriile de tracțiune. La urcarea pantelor, motorul electric asistă motorul Diesel, furnizând putere suplimentară și reducând astfel consumul de combustibil.

Sistemele auxiliare (pompa hidraulică a direcției, compresorul de aer, priza de putere) care, la camioanele convenționale, sunt antrenate de motorul Diesel, sunt înlocuite cu motoare electrice independente. Acestea funcționează doar atunci când este nevoie, permițând o amplasare mai flexibilă a componentelor și reducerea consumului energetic total.

Lanțul cinematic include un motor diesel (D), ambreiajul, cutia de viteze I-Shift (I), baterii HV (B), unitatea de putere (PMU) și motorul electric (E/G) (Figura 2.31).

Regimuri de funcționare – autocamion Volvo FE

1.   Pornirea de pe loc

Propulsia este asigurată exclusiv de motorul electric (E/G), oferind un cuplu ridicat încă de la plecare. Transmisia I-Shift și unitatea PMU controlează automat schimbarea treptelor și gestionarea fluxului de energie (Figura 2.32 a).

2.   Regim mixt la viteze mari

La viteze superioare, se activează motorul Diesel (D), funcționând împreună cu motorul electric în paralel, pentru o putere combinată și eficiență optimă (Figura 2.32 b).

3.   Frânare regenerativă

În timpul frânării, motorul electric funcționează ca generator și încarcă acumulatorii HV cu energia recuperată (Figura 2.32 c). Acest regim este ideal pentru aplicații urbane – cum ar fi distribuția de marfă sau colectarea deșeurilor – unde vehiculul circulă cu viteză medie (~30 km/h) și frânează frecvent.

Fig. 2. 31 Regimuri de funcționare – autocamion Volvo FE

Automobilele full hybrid reprezintă un pas semnificativ în direcția reducerii dependenței de combustibili fosili, combinând eficient motorul termic cu cel electric într-o arhitectură bine integrată. Diversitatea configurațiilor – în serie, în paralel sau mixte – reflectă eforturile producătorilor de a optimiza performanțele dinamice, de a reduce consumul de combustibil și emisiile de noxe. Prin funcții avansate, precum frânarea regenerativă, modul electric pur sau asistența la sarcină maximă, aceste sisteme contribuie la o mobilitate mai curată și mai inteligentă. Pe măsură ce tehnologia bateriilor evoluează și componentele devin mai eficiente, automobilele full hybrid vor juca un rol tot mai important în tranziția către transportul electric, reprezentând o verigă-cheie între vehiculele convenționale și cele complet electrice.

Întrebări de autoevaluare:

1.   Care este diferența principală dintre un sistem full-hibrid și unul mild-hibrid în ceea ce privește modul de propulsie?

2.   Ce rol are unitatea de comandă electronică (ECU) în funcționarea unui sistem de propulsie full-hibrid?

3.   În ce condiții este utilizat exclusiv modul de propulsie electrică și ce beneficii oferă acesta?

4.   Cum funcționează sistemul full-hibrid în timpul frânării și ce avantaj energetic oferă această funcție?

5.   Ce se întâmplă în modul de propulsie paralelă și în ce situații apare acesta?

6.   Care este rolul mecanismului planetar PSD în transmisia hibridă a modelului Toyota Prius și cum contribuie acesta la variația continuă a raportului de transmisie?

7.   Cum diferă configurația sistemului de propulsie al generațiilor I și II de Prius față de generațiile III și IV în ceea ce privește numărul de mecanisme planetare și comportamentul transmisiei?

8.   Ce funcții îndeplinește motorul electric MG1 în cadrul sistemului de propulsie hibrid THS?

9.   Care sunt avantajele sistemului de propulsie hibrid utilizat de Toyota Prius în comparație cu transmisiile clasice, din punctul de vedere al eficienței energetice și al emisiilor poluante?

10.   Care sunt principalele regimuri de funcționare ale sistemului de propulsie hibrid Toyota în funcție de condițiile de exploatare, și cum contribuie acestea la eficiența energetică a vehiculului?

11.   Cum influențează utilizarea transmisiei eCVT, bazată pe mecanismul planetar, comportamentul dinamic și eficiența sistemului hibrid Toyota comparativ cu o cutie de viteze convențională?

12.   Care sunt regimurile de funcționare ale sistemului hibrid i-MMD de la Honda și cum se realizează trecerea automată între acestea în funcție de condițiile de rulare?

13.   Cum este structurată arhitectura hibridă propusă de Nissan și ce rol au componentele principale în funcționarea diferitelor moduri de rulare ale sistemului?

14.   Cum contribuie tehnologia hibridă paralelă utilizată de Volvo Trucks la îmbunătățirea eficienței energetice și funcționarea optimă a autocamioanelor în diverse regimuri de exploatare?

BIBLIOGRAFIE

1. 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

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 499 Основы электрических приводов автомобилей Устройство и принцип действия

4. Electude LMS 2024.4.0.