Tema: 6 Automobile hibride reîncărcabile plug-in 

Studiind această temă, veți fi capabili :

-          să identificați componentele principale ale unui sistem de propulsie hibrid plug-in și modul lor de interacțiune;

-          să explicați diferențele funcționale și constructive dintre un hibrid convențional, un plug-in hybrid și un vehicul electric pur;

-         să descrieți diversele configurații posibile ale sistemelor plug-in hybrid și să analizați avantajele fiecăreia în funcție de aplicația vehiculului. 

2.6.1 Introducere și principiu de funcționare

Automobilele hibride reîncărcabile, denumite și Plug-in Hybrid Electric Vehicles (PHEV), reprezintă o categorie de vehicule electrificate care combină un motor cu ardere internă (MAI), unul sau două motoare electrice și o baterie de înaltă tensiune ce poate fi reîncărcată de la o sursă externă de energie electrică (Fig. 2.40). 

Figura 2.40 Schema automobilului cu propulsie hibridă, reîncărcabile (plug-in)

1 - Conectorul de încărcare, 2 - Încărcător intern, 3 - Baterie de tensiune înaltă, 4 - Cablurile de tensiune înalte, 5 - Unitatea de putere a Motorului/Generator MG2, 6 - Motorului/Generator MG2, 7 - Unitatea de putere a Motor/Generator MG1,

8 - Motor/Generator MG1, 9 - Compresorul sistemului de climatizare.

Moduri de funcționare ale sistemului de propulsie hibridă reîncărcabilă (plug-in)

a) Mod de propulsie electrică

În acest mod de funcționare, motorul cu ardere internă este complet oprit. Propulsia vehiculului este asigurată exclusiv de motorul electric-generator MG2. Energia electrică necesară funcționării acestuia este furnizată de bateria de înaltă tensiune, prin intermediul unității electronice de putere 2 (Figura 2.41 a).

Figura 2.41 Scheme de funcționare a automobilului cu propulsie hibridă,

reîncărcabile (plug-in)

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.

b) Mod de propulsie în serie

Motorul electric-generator MG1 este utilizat pentru a porni motorul cu ardere internă. Ulterior, MG1 funcționează ca generator, convertind energia mecanică în energie electrică, care este utilizată pentru reîncărcarea bateriei de înaltă tensiune. Energia stocată este apoi utilizată pentru acționarea motorului electric MG2, care asigură propulsia vehiculului. Acest mod este specific situațiilor excepționale (Figura 2.41 b).

c) Mod de propulsie în paralel, la sarcini mari

În condiții de sarcină ridicată (ex. accelerare puternică), motorul cu ardere internă funcționează simultan cu motoarele electrice MG1 și MG2 pentru a asigura o putere totală crescută. Funcționarea în acest mod este condiționată de nivelul de încărcare al bateriei de înaltă tensiune (Figura 2.41 c).

d) Mod de propulsie cu motorul termic

În situațiile în care bateria de înaltă tensiune este complet descărcată, propulsia electrică nu mai este posibilă. În acest caz, vehiculul este antrenat exclusiv de motorul cu ardere internă. Concomitent, surplusul de putere al acestuia este utilizat pentru reîncărcarea bateriei de înaltă tensiune, prin intermediul motorului electric-generator MG1 (Figura 2.41 d).

Moduri suplimentare de funcționare (configurații complexe și auxiliare)

a) Mod de propulsie mixt (serie/paralel)

În acest regim, sistemul de propulsie adoptă o configurație combinată, în care motorul cu ardere internă poate contribui la deplasarea vehiculului, iar surplusul de energie generat este direcționat fie către reîncărcarea bateriei de înaltă tensiune, fie către alimentarea directă a motorului electric MG2. Această strategie permite o optimizare continuă a funcționării în funcție de solicitările transmise de către conducătorul auto (Figura 2.42 a).

b) Mod de regenerare a energiei de frânare

În timpul decelerării, sistemul utilizează motoarele/generatoarele electrice (MG1 și MG2) pentru a transforma energia cinetică a vehiculului în energie electrică. Aceasta este convertită în tensiune continuă (DC) de către unitățile electronice de putere și stocată imediat în bateria de înaltă tensiune. Regimul de frânare regenerativă contribuie la creșterea eficienței energetice globale a sistemului (Figura 2.42 b).

c) Mod de încărcare dintr-o sursă externă

În timpul conectării la o sursă de energie electrică externă, toate unitățile de acționare (motoare electrice și electronica de putere) sunt oprite. Prin intermediul unui cablu de alimentare, vehiculul este conectat la terminalul de încărcare. După detecția corectă a sursei de curent de către unitatea de control a încărcării, se activează două relee de siguranță, permițând inițierea procesului de încărcare a bateriei de înaltă tensiune. La atingerea nivelului de încărcare prestabilit, procesul se întrerupe automat. Pe durata încărcării, consumatorii electrici interni pot fi alimentați direct din sursa externă (Figura 2.42 c).

2.6.2 Configurația sistemului de propulsie hibridă reîncărcabilă (plug-in)

Automobilele echipate cu sistem de propulsie hibridă reîncărcabilă (plug-in) utilizează atât un motor cu ardere internă, cât și unul sau mai multe motoare electrice, oferind posibilitatea de deplasare în regim complet electric pe distanțe limitate. Printre exemplele reprezentative de vehicule cu propulsie electrică cu autonomie extinsă se numără Honda Accord Plug-in, Toyota Prius Plug-in și Porsche Panamera S E-Hybrid (Figura 2.43).

Figura 2.43 Exemple de scheme a sistemului de propulsie hibridă reîncărcabile (plug-in)

În contextul actual al mobilității durabile, fiecare nou model de autovehicul plug-in lansat pe piață intră, într-un fel sau altul, într-o competiție implicită cu celelalte opțiuni existente. Deși gama de vehicule electrificate disponibile la nivel național este încă limitată, concurența se manifestă nu doar prin specificații tehnice, ci și prin poziționarea pe segmente de piață distincte.

Piața vehiculelor electrice și hibride este caracterizată de o complexitate ridicată, în care granițele tradiționale dintre segmente sunt din ce în ce mai puțin evidente, pe fondul diversificării tehnologiilor de propulsie.

Principiul de funcționare al sistemului de propulsie hibrid constă în utilizarea combinată a unui motor cu ardere internă (ICE) și a unui motor electric, pentru a asigura propulsia eficientă a vehiculului, în funcție de condițiile de deplasare și de cerințele de putere (Figura 2.45). În regim de viteză redusă sau sarcină ușoară, vehiculul poate fi propulsat exclusiv de motorul electric, alimentat de bateria de înaltă tensiune (HV), ceea ce reduce consumul de combustibil și emisiile. La cerințe de putere mai ridicate sau în regim constant, motorul cu ardere internă pornește și poate funcționa singur sau în paralel cu motorul electric.

Figura 2.45 Schema nodurilor electrice de la automobilul Porsche Panamera e-hibrid

1.  Motorul cu ardere internă (ICE); 2. Motorul electric; 3. Cutia de viteze;  4 Transmisia principală; 5. Unitatea de încărcare; 6. Bateria de înaltă tensiune (HV); 7. Portul de încărcare; 8. Cablurile de tensiune; 9. Unitatea de putere

Comparativ cu versiunea sa anterioară – un hibrid convențional – noul Panamera plug-in aduce îmbunătățiri notabile. Puterea sistemului electric a crescut de la 34 CP (baterie NiMH de 1,7 kWh) la 95 CP, alimentați de o baterie litiu-ion de 9,4 kWh. În configurația totală, modelul combină motorul electric cu un propulsor V6 supraalimentat de 333 CP, rezultând o putere combinată de 416 CP. Bateria de 9,4 kWh este prevăzută cu răcire și încălzire cu lichid (Figura 2.46), asigurând performanțe stabile în diverse condiții climatice. Timpul de încărcare completă la un încărcător de Nivel 2 (3,6 kW) este de aproximativ 2,5 ore.

Unitatea de putere (formată din invertoare și convertoare) gestionează fluxul de energie electrică între baterie și motorul electric (Figura 2.47), controlând atât tracțiunea electrică, cât și recuperarea energiei în timpul frânării (frână regenerativă). Energia recuperată este transformată în energie electrică și stocată în bateria HV, prin intermediul unității de încărcare, care asigură și conversia energiei atunci când vehiculul este conectat la o sursă externă, prin portul de încărcare. Mufă de încărcare

Cablurile de înaltă tensiune conectează între ele aceste componente, fiind dimensionate pentru a suporta curenți mari și tensiuni ridicate, contribuind astfel la siguranța și eficiența întregului sistem.

Vehiculele hibride de tip plug-in (PHEV) se deosebesc semnificativ de vehiculele electrice cu baterie (BEV), prin faptul că dispun și de un motor termic. Atunci când nivelul de energie din baterie scade sub un anumit prag, motorul cu ardere internă pornește automat pentru a reîncărca bateria. În situații ce necesită o putere suplimentară – cum ar fi accelerările rapide sau urcarea rampelor – motorul generează electricitate adițională, care se adaugă energiei furnizate de baterie pentru alimentarea motoarelor electrice. Totodată, la viteze mari de deplasare, motorul poate deveni sursa principală de propulsie.

Mitsubishi Outlander PHEV reflectă progresul constant al tehnologiei hibride, începând din 2012 cu lansarea primului SUV plug-in hibrid cu tracțiune integrală (AWD), continuând cu extinderea pe piețele europene (2014–2017), optimizări tehnice semnificative (2018–2021) și culminând cu apariția celei de-a doua generații (2022–2023), capabilă de o autonomie electrică de peste 80 km.

Figura 2.46 Schema nodurilor electrice de la automobilul Mitsubishi Outlander PHEV

Modelele PHEV produse de Mitsubishi Motors oferă trei moduri distincte de funcționare:

·     Modul EV (electric): vehiculul este propulsat exclusiv de motoarele electrice, utilizând energia stocată în baterie;

·     Modul Hibrid Serie: motorul cu ardere internă funcționează ca generator, producând electricitate pentru baterie și pentru alimentarea motoarelor electrice;

·     Modul Hibrid Paralel: propulsia este asigurată în principal de motorul termic, cu sprijin din partea motoarelor electrice.

Vehiculul comută automat între aceste moduri în funcție de condițiile de rulare: modul EV este activat în utilizarea cotidiană, modul Hibrid Serie este utilizat în condiții de efort ridicat (accelerație puternică sau urcări), iar modul Hibrid Paralel este folosit la rularea constantă cu viteză mare.

Întrebări de autoevaluare:

1.   Ce reprezintă un automobil hibrid reîncărcabil (PHEV) și care este avantajul său principal comparativ cu un vehicul hibrid convențional (HEV)?

2.   Care este rolul principal al bateriei de înaltă tensiune într-un sistem de propulsie PHEV și cum poate fi reîncărcată aceasta?

3.   În ce condiții funcționează exclusiv motorul electric MG2 și care este sursa de energie în acest mod de propulsie?

4.   Cum contribuie motorul electric-generator MG1 la funcționarea sistemului în modul de propulsie în serie?

5.   Prin ce se caracterizează modul de propulsie în paralel și în ce situații este acesta activat?

6.   Cum funcționează sistemul de frânare regenerativă și ce beneficii aduce eficienței energetice a vehiculului?

7.   Ce se întâmplă în timpul procesului de încărcare externă și cum este controlată siguranța în această etapă?

8.   Ce diferențe tehnice majore există între versiunea hibridă convențională și versiunea plug-in a modelului Porsche Panamera S E-Hybrid?

9.   De ce este important sistemul de răcire și încălzire a bateriei HV într-un vehicul hibrid plug-in și cum influențează acesta performanțele generale?

10.   Cum contribuie unitatea de putere și sistemul de frânare regenerativă la eficiența energetică a unui automobil plug-in hibrid?

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.

5. https://chargedevs.com/  Electric vehicles magazine

6. https://www.mitsubishi-motors.com/en/index.html