Tema: 5 Automobile electrice cu rază extinsă  

Studiind această temă, veți fi capabili :

-          să explicați principiul de funcționare al automobilelor electrice cu rază extinsă (range extender);

-          să descrieți principalele componente ale unui sistem de propulsie cu rază extinsă și rolul fiecăreia;

-          să analizați configurațiile constructive a automobilelor electrice cu rază extinsă.

2.5.1 Construcția și principiul de funcționare a automobilelor electrice cu rază extinsă (range extender)

Automobilele electrice cu rază extinsă (Range Extended Electric Vehicles – REEV) reprezintă o categorie distinctă de vehicule electrice, care combină avantajele propulsiei electrice cu cele ale unui motor termic auxiliar, optimizat pentru funcționarea ca generator electric. Acest concept se situează la intersecția dintre vehiculele electrice pure și cele hibride plug-in (PHEV), având drept scop principal extinderea autonomiei de rulare printr-un sistem de propulsie hibrid.

Iată câteva elemente cheie ale unui sistem de propulsie electrice cu rază extinsă (Figura 2.32).

Figura 2.32 Schema automobilului cu propulsie electrică cu rază extinsă

1 - Conectorul de încărcare, 2 - Încărcător intern, 3 - Baterie de tensiune înaltă, 4 -Cablurile de tensiune înalte, 5 - Unitatea de putere a Motorului/Generator MG1, 6 - Unitatea de putere a Motor/Generator MG2, 7 - Motor/Generator MG1, 8 - Motorului/Generator MG2, 9 - Compresorul sistemului de climatizare, 10 - Încălzitorul electric.

Sistemul de propulsie al unui automobil cu rază extinsă include în mod tipic un motor electric de tracțiune alimentat de o baterie de înaltă tensiune și un motor cu ardere internă (pe benzină sau motorină) care funcționează exclusiv pentru generarea de energie electrică, fără a fi conectat mecanic la roți. Această configurație permite vehiculului să ruleze pe o distanță semnificativă în mod pur electric, iar după epuizarea energiei din baterie, să continue deplasarea prin utilizarea motorului termic pentru a reîncărca bateria, oferind astfel o „rază extinsă” de acțiune.

Moduri operaționale principale ale sistemului de propulsie cu rază extinsă:

1.   Modul de propulsie electrică pură

În acest regim, vehiculul este propulsat exclusiv de motorul electric de tracțiune (denumit frecvent MG2), utilizând energia stocată în bateria de înaltă tensiune. Toate sistemele electrice auxiliare, inclusiv compresoarele pentru climatizare și unitățile de încălzire, sunt alimentate electric, asigurând o funcționare eficientă și silențioasă a vehiculului. (Figura 2.33 a) 

Figura 2.33 Schema de funcționare a automobilului cu propulsie electrică cu rază extinsă

1 - Baterie de tensiune înaltă, 2 - Unitatea de putere a MG1, 3 - Motor/Generator MG2, 4 - Unitatea de putere a MG1. 5 - Motor/Generator MG1, 6 - Motor cu ardere internă.

2.   Modul de propulsie în serie (Range Extender Mode)

Când bateria este descărcată sub un prag critic, motorul cu ardere internă este activat și funcționează în regim optimizat pentru generarea energiei electrice. Acesta antrenează un generator electric (MG1), care încarcă bateria de înaltă tensiune, în timp ce tracțiunea este asigurată în continuare exclusiv de motorul electric de tracțiune (MG2). Astfel, propulsia vehiculului se realizează în mod indirect prin convertirea energiei chimice în electrică, optimizând consumul de combustibil și emisiile. (Figura 2.33 b)

3.   Modul de încărcare a bateriei în regim staționar

În absența unei surse externe de alimentare electrică, bateria de înaltă tensiune poate fi încărcată de motorul cu ardere internă, care acționează generatorul MG1, chiar și atunci când vehiculul este oprit sau staționar, asigurând astfel menținerea nivelului optim de energie pentru deplasare. (Figura 2.33 c)

4.   Modul de încărcare din sursă externă

Bateria de înaltă tensiune poate fi încărcată direct printr-un punct de alimentare extern (priza de încărcare), în timp ce sistemele de propulsie sunt oprite. Procesul de încărcare este gestionat automat de sistemul electronic de control al vehiculului, asigurând securitatea și eficiența încărcării. (Figura 2.33 d)

Această arhitectură complexă permite optimizarea consumului energetic și a emisiilor poluante, făcând automobilele cu rază extinsă o soluție eficientă pentru extinderea autonomiei în condiții reale de exploatare, menținând în același timp avantajele conducerii electrice.

Motorul diesel C175-16 al autocamionului Caterpillar antrenează un generator montat în partea din spate. Curentul alternativ generat este redresat la o tensiune de 2.600 V, apoi alimentând un invertor. În invertor, tranzistoarele IGBT transformă curentul continuu în curent alternativ trifazat, care alimentează motoarele electrice de tracțiune. Cuplul generat de aceste motoare este transmis roților printr-un reductor final cu dublă treaptă de reducere. Sistemul electric AC de la Caterpillar funcționează la 2.600 de volți, ceea ce înseamnă curenți relativ mici. Acest lucru duce la o generare redusă de căldură și, implicit, la o durată de viață mai mare a componentelor.

Camionul este dotat cu un motor turbo-diesel V6 de 3 litri (preluat de la un model Audi de serie), a cărui misiune nu este de a propulsa direct vehiculul, ci de a genera electricitate atunci când bateriile sunt descărcate sau când cerințele energetice cresc. Această unitate de propulsie termică acționează generatorul electric, care alimentează fie motorul electric de propulsie, amplasat între lonjeroanele șasiului, fie bateriile de acumulatoare, dispuse sub cabină în trei module de câte 35 kW, totalizând o capacitate de 105 kW. În regim pur electric, MAN Metropolis poate funcționa până la 4 ore fără a porni motorul diesel, ceea ce îl face extrem de potrivit pentru medii urbane sensibile la poluare fonică și atmosferică.

Inițial, sistemele de propulsie electrică cu rază extinsă erau utilizate aproape exclusiv pe vehicule comerciale de mari dimensiuni, precum camioanele, unde avantajele unei autonomii sporite la viteze reduse se evidențiau cel mai clar. Cu toate acestea, evoluțiile tehnologice au permis adaptarea eficientă a acestui concept și la automobilele de serie, conducând la apariția unor modele precum Chevrolet Volt, Opel Ampera și BMW i3 REx (Figura 2.36).

Figura 2.36 Exemple de scheme a sistemului de propulsie electrică cu rază extinsă

Chevrolet Volt integrează sistemul de propulsie Voltec, o arhitectură complexă ce combină două motoare electrice cu un motor termic (Figura 2.38), cuplarea acestora fiind gestionată de o unitate de control electronic centralizată. Inginerii producătorului susțin că, deși vehiculul include un motor pe benzină, acesta nu acționează direct roțile motoare, ci are rolul de generator de energie pentru motoarele electrice, ceea ce plasează Volt în categoria vehiculelor electrice cu range extender (extensor de autonomie), mai degrabă decât în cea a hibridelor convenționale.

Spre deosebire de un hibrid plug-in clasic, precum Toyota Prius Plug-in, unde motorul electric are un rol auxiliar iar propulsia principală este asigurată de motorul termic, Volt funcționează în majoritatea timpului în regim 100% electric, motorul termic intervenind doar pentru a produce energie electrică atunci când bateria atinge un nivel scăzut de încărcare. Astfel, sistemul Voltec răspunde provocărilor legate de limitarea autonomiei vehiculelor electrice, asigurând o distanță totală de rulare de aproximativ 500 km, dintre care până la 80 km pot fi parcurși exclusiv în regim electric, fără emisii.

În contrast, un vehicul complet electric, precum Nissan Leaf, se bazează exclusiv pe un motor electric alimentat din baterii reîncărcabile la priză, asigurând o autonomie de până la 160 km. Deși această autonomie este superioară față de segmentul plug-in hybrid, lipsa unui sistem de extindere a autonomiei limitează aplicabilitatea Leaf în cazul deplasărilor mai lungi, ceea ce generează o reticență justificată din partea unei părți a consumatorilor.

Sistemul Voltec permite vehiculului Chevrolet Volt să funcționeze în patru moduri distincte de propulsie, în funcție de condițiile dinamice și de nivelul de încărcare al bateriei:

Propulsie exclusivă cu motorul electric principal (Fig. 2.39 a): utilizată la viteze mici și medii, când energia provine exclusiv din baterii. Autonomia maximă în acest regim este de aproximativ 80 km, superioară unui hibrid plug-in clasic, însă inferioară unui vehicul electric pur.

Figura 2.39 Regimuriel de funcționare a automobilului Chevrolet Volt

Propulsie cu ambele motoare electrice (Fig. 2.39 b): activată la viteze mari sau în timpul accelerațiilor puternice. Motorul electric secundar funcționează în paralel cu cel principal, pentru a optimiza randamentul energetic și a reduce sarcina pe motorul principal. Alimentarea este realizată exclusiv din baterii, în condițiile în care acestea sunt suficient încărcate.

Funcționare în regim extins cu motorul termic și motorul electric principal (Fig. 2.39 c): activat atunci când nivelul de încărcare al bateriei scade sub un prag minim. În acest caz, motorul pe benzină acționează ca generator de energie electrică, fără a transmite cuplu mecanic direct către roți, care continuă să fie antrenate de motorul electric principal.

Frânarea regenerativă (Fig. 2.39 d): tehnologie prin care energia cinetică a vehiculului, în timpul decelerării sau frânării, este convertită în energie electrică și stocată în pachetul de baterii. Acest proces reduce pierderile energetice inerente frânării clasice și contribuie semnificativ la extinderea autonomiei vehiculului în regim pur electric. Sistemul este gestionat de unitatea electronică centrală, care ajustează în timp real gradul de recuperare a energiei în funcție de condițiile de rulare și nivelul de încărcare al bateriei. Astfel, frânarea regenerativă nu doar că îmbunătățește eficiența energetică, ci și optimizează uzura sistemului mecanic de frânare, prelungindu-i durata de viață.

Prin urmare, Chevrolet Volt reprezintă o soluție intermediară între hibridul convențional și vehiculul electric pur, oferind o autonomie extinsă și un grad ridicat de independență față de infrastructura de încărcare. Conceptul de range extender, aplicat eficient în cazul acestui model, contribuie la eliminarea uneia dintre principalele bariere în adoptarea pe scară largă a vehiculelor electrice – autonomia limitată.

Potrivit studiilor de utilizare, autonomia de până la 80 km în regim exclusiv electric acoperă necesitățile zilnice de deplasare pentru aproximativ 80% dintre utilizatori, ceea ce face din Chevrolet Volt o alegere eficientă și ecologică pentru transportul urban și urban, fără a exclude posibilitatea parcurgerii unor distanțe mai lungi, grație motorului termic integrat.

Întrebări de autoevaluare:

1.   Care este principiul de funcționare al automobilelor electrice cu rază extinsă?

2.   Ce rol îndeplinește motorul cu ardere internă în arhitectura unui vehicul electric cu rază extinsă și cum contribuie acesta la extinderea autonomiei de rulare?

3.   Cum se realizează propulsia vehiculului în modul de funcționare în serie (Range Extender Mode) și ce avantaje oferă această configurație în ceea ce privește eficiența energetică?

4.   În ce situații se activează modul de încărcare a bateriei în regim staționar și care este funcția generatorului MG1 în acest context?

5.   Cum contribuie integrarea modului de frânare regenerativă și a încărcării din surse externe la optimizarea consumului și a performanței generale a automobilelor cu rază extinsă?

6.   De ce a fost utilizat inițial sistemul de propulsie electrică cu rază extinsă la vehiculele industriale grele, cum ar fi autocamioanele din cariere?

7.   Cum a evoluat sistemul de propulsie electrică cu rază extinsă de la utilizarea în vehicule industriale grele la integrarea sa în automobilele moderne de serie?

8.   Ce inovație principală diferențiază sistemul de propulsie Voltec al modelului Chevrolet Volt de cel al hibrizilor convenționali, precum Toyota Prius?

9.   Ce moduri de funcționare ale sistemului de propulsie sunt disponibile la Chevrolet Volt și în ce condiții sunt acestea activate?

10.   În ce măsură răspunde Chevrolet Volt provocărilor legate de limitarea autonomiei vehiculelor electrice, în comparație cu un vehicul complet electric precum Nissan Leaf?

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.