Arhitecturi Vehicule Hibride

8/9/2019 Arhitecturi Vehicule Hibride

1/72

1

1. INTRODUCERE IN VEHICULE ELECTRICE HIBRIDE

1.1. Consideraii privind funcionarea vehiculelor electricehibride

Majoritatea vehiculelor fabricate n prezent folosesc pentru propulsiemotoare cu ardere intern, (MAI). Vehiculele electrice, (VE), sunt superioarevehiculelor acionate cu motoare cu ardere intern deoarece nu utilizeazcombustibili fosili i sunt complet lipsite de emisii poluante, iar zgomotulgenerat la propulsie are un nivel extrem de sczut. n schimb, necesitatea dea stoca o cantitate important de energie electric mrete drastic spaiulnecesar bateriei de acumulatori sau a bateriei de condensatori. Gabarituldispozitivului de stocare a energiei electrice va crete atunci cnd se doreteo autonomie de funcionare mai mare.

Vehiculele convenionale, propulsate cu motoare cu ardere internutilizeaz energia obinut prin arderea combustibililor fosili: benzin,motorin, gaz petrolier lichefiat, (GPL), etc.. Spre deosebire de ele,

vehiculele electrice hibride, (VEH), sunt propulsate, n principiu, cu doutipuri de energie: energie termic (convenional) provenind din ardereacombustibililor fosili, respectiv energie electric. Utiliznd mai multe sursede propulsie, randamentul global de func ionare al vehiculelor electricehibride poate fi mrit tocmai printr-o selectare judicioas a celei maieficiente surse de putere corespunztoare unui anumit regim de funcionare.Acesta este de altfel i obiectivul primar al strategiei de control alvehiculelor electrice hibride, deoarece nivelul tehnologic actual al bateriilorde acumulatori impune ca aproape toat energia utilizat pentru propulsiaautovehiculului (cu o autonomie rezonabil) s provin din combustibilulfosil (benzinsau motorin) disponibil la bord.

Vehiculele electrice hibride reprezint o punte ntre actualele vehicule

propulsate de motoare cu ardere interni vehiculele viitorului caracterizatede un nivel al emisiilor aproape de zero (EZEV Equivalent-to-Zero-Emission-Vehicle, respectiv ULEV-Ultra-Low-Emission-Vehicle) sau, nanumite situaii chiar fr poluare (ZEV- Zero-Emission-Vehicle) aa cumse preconizeaz a fi vehiculele propulsate electric prin pile de combustiealimentate cu hidrogen. Este foarte important s fie amintit faptul c fr a

parcurge treptele tehnologice i a perfeciona sistemele de propusie hibridenu se va putea atinge nivelul superior care l reprezinttehnologia propulsieicu ajutorul pilelor de combustie (fuel cell).

n prezent o serie de firme constructoare comercializeaz vehiculeelectrice hibride n producie de serie: Toyota, Honda, Ford, GM. Multe alte

firme au realizate prototipuri de vehicule electrice hibride, trecerea laproducia de serie fiind doar o problem de timp ce depinde de


2/72

2

mbuntirea unor parametri de funcionare i de reducerea preurilor defabricaie. n ceea ce privete linia propulsoare a unui vehicul electrichibrid, acesta este mai complex sub aspectul construciei, funcionrii icontrolului electronic dect sistemul similar al celui mai evoluat vehiculconvenional prevzut cu motor cu ardere intern.

Privit din punct de vedere al integrrii elementelor componente,vehiculul electric hibrid reprezint, comparativ cu soluia vehiculului

propulsat doar prin motor cu arder intern un spor de complexitate deaproximativ 25%, n timp ce, din punctul de vedere al sistemului de control,aportul de hardware i programe software este cel puin dublu. Aceste noielemente fac ca i preul unui astfel de vehicul sfie mai ridicat comparativcu cel al unuia propulsat numai prin motor cu ardere intern. Astfel, aa cumse arat n [1] primul vehicul (automobil) electric hibrid de serie conceputde firma Toyota reprezint cea mai sofisticat linie propulsoare integraticea mai complexstrategie de control realizatvreodatde firma respectivrecunoscut pentru promovarea unor idei de mare ingeniozitate icomplexitate tehnic.

Vehiculele electrice hibride utilizeaz de regul urmtoarele patrumoduri de propulsie:1. Propulsie mecanic pur prin motorul cu ardere intern, MAI, ce

folosee combustibil convenional (Fig. ); energia mecanicrezultatdin aprinderea combustibilului (benzin, motorin) se transmite la roi

prin intermediul transmisiei T, (cutiei de transfer TC n cazultransmisiei integrale) i diferenialuluiD. Motorul cu

Fig.1.1 Modul de propulsie pur mecanical autovehiculului hibrid

ardere intern funcioneaz cvasiconstant n zona de randamentmaxim (75 85% din puterea maxim), diferena dintre putereadezvoltat i cea necesar regimului curent fiind transformat n


3/72

3

energie electricpentru ncrcarea bateriei Bat. Conversia de energiise realizeaz cu ajutorul unui motor/generator electric ME/G i aunui bloc convertizor/invertor de putere C&I;

2.

propulsie electricpur(Fig. ) prin motorul electric, ME/G, alimentatprin invertor de putere C&I de la bateria electric Bat, de regul decurent continuu; acest mod de funcionare nu produce nici o poluareasigurnd o funcionare n regim (zero-emission-vehicle)ZEV;

Fig.1.2 Modul de propulsie pur electrical vehiculului hibrid

3.

La fel ca 2 doar cmotorul cu ardere intern funcioneaz n regim dencrcare a bateriei, Datorit randamentului superior al motorului cuardere intern ntr-un astfel de regim, modul de func ionare alvehiculului este de tip ULEV; Aa cum se va argumenta mai trziu,modul de funcionare 3 este caracteristic configuraiei hibride serie,numele fiind o analogie la modul secven ial de obinere a energiei de

propulsie def init printr-o succesiune de conversii (mecanic, electric);4.

Propulsie mixtprin ambele motoare, mai precis spus motorul cu ardereinterneste asistat de motorul electric pentru realizarea puterii dorite ia randamentului maxim; regimul de funcionare este denumit simbolicHEV (Hybrid Electric Vehicle propeler). Modul de propulsie mixt estespecific regimurilor tranzitorii ale MAI n care, puterea dezvoltat laconsumul specific optim nu este suficient pentru a oferimanevrabilitatea vehiculului dorit de conductorul auto (accelerri,depiri, pante ascendente pronunate, putere maxim). Pentru a numodifica funcionarea la parametii optimi ai MAI surplusul de putereeste dat de motorul electric pe baza energiei electrice stocate n baterie,aa cum este simbolizat n Fig. . Din punctul de vedere al emisiilor

poluante, regimul rmne de tip ULEV, practic MAIfuncioneazca ncazul 1, cu diferena cbateria se descarcca n modul 2.


4/72

4

Fig.1. Modul de propulsie mixt (mecanic asistat electric) cu descrcareabateriei

5.

Regimul de recuperare a energiei de frnare este specificautovehiculelor electrice i hibride fiind o cale de mbuntire arandamentului lor. Frnarea regenerativ urmrete s recupereze ocantitate ct mai mare din energia cinetic suplimentar a vehicululuice se dorete frnat i care, n cazul autovehiculelor convenionale sedisipsub formde cldur n plcuele, etrierele i discurile de frn.ntr-o mainelectricreversibil, comutarea din starea de motor n ceade generator se face prin limitarea alimentrii i aplicarea unui cuplu derotaie, n cazul acesta provenind de la ro ile autovehiculului (Fig. ).

Fig.1. Modul de frnare regenerativ


5/72

5

Conversia energiei cinetice n energie electricare ca rezultat generareaunui contramoment la axul generatorului, regsit ca moment de frnare laaxul roilor. Nu trebuie pierdut din vedere c autovehiculul hibrid este

prevzut i cu un sistem convenional de frnare, de regul de tipelectrohidraulic ce include o serie de sisteme active de control a siguraneii stabilitii precum ABS, ASR (controlul traciunii), ESP (controlulstabilitii n curbe) sau EBD (distribuia electronica a forei de frnare faspate).

Pe parcursul unei frnri sistemul de frnare regenerativ i sistemulclasic de frnare prin aciunea presiunii hidraulice asupra plcuelor de frn

pot lucra simul tan. Totui sistemul regenerativ are ntietate n sensul c, laapsarea pedalei de frn, dispozitivul de control electronic determin n

primul rnd cuplul disponibil la axul generatorului provenit din energiacinetic a vehiculului (frnde motor), respectiv cuplul de frnare dorit deofer (determinat din unghiul i fora de apsare a pedalei de frn) i numaidacacesta din urmdepete pe primul, sistemul clasic de frnare va fi iel activat.

Ca principiu de funcionare, soluia constructiv adoptat pentrupropulsia vehiculelor electrice hibride (mai ales n configura ie serie) seregsete n locomotivele diesel electrice de la care a i fost probabil

pre luat. La aceste locomotive, un motor cu ardere intern de tip dieselacioneaz un generator electric, energia furnizat alimentnd motoareelectrice de traciune cuplate direct cu roile vehiculului. Sistemul prezentaavantajul de a nu necesita un sistem de transmisie cu raport variabil cuplatntre motorul diesel i roile locomotivei. Aceasta deoarece, spre deosebirede un motor cu ardere intern al crui cuplu de pornire este nul, motorulelectric dezvoltla turaia de pornire un cuplu maxim putnd fi astfel cuplatdirect cu roile; cnd se dorete accelerarea trenului, motorul diesel estealimentat suplimentar pentru a determina creterea puterii generatorului.

Spre deosebire de tren ce ruleaz cu viteze cvasiconstante pe perioadelungi de timp i are o sarcin aproape de valoarea nominal determinatpentru a putea rula n regimuri apropiate de cuplul maxim, un automobil seconfrunt cu un domeniu extins de regimuri de funcionare n care

predomin accelerrile, frnrile, opririle, vitezele reduse specificetraficului intens sau mersul n gol.

ntr-un vehicul electric hibrid, strategia primar de control const nselectarea sursei forei de propulsie (motorul cu ardere intern sau motorulelectric) n funcie de sarcina specific fiecrui regim de funcionare alvehicului, astfel nct acesta s ruleze n permanen cu un randamentmaxim. Pentru motorul termic, regimul de randament maxim se afl plasatn domeniul sarcinilor mari , astfel nct ntr-un vehicul electric hibrid

motorul cu ardere intern este forat s lucreze n regimuri de sarcin ituraie crescute. Motorul cu ardere intern funcioneaz cu un randament


6/72

6

sczut n regimuri de turaie redus att n cazul unor sarcini mari ct i lasarcini reduse sau la mersul n gol, n regimurile tranzitorii de accelerare saudecelerare precum i n cazul pornirii mai ales la temperaturi sczute.Strategiile de control ale vehiculelor electrice hibride urmresc evitareaacestor regimuri prin algoritmi compleci de utilizare a tuturor resurselorenergetice de la bordul vehiculului, n final scopul fiind minimizareaconsumului i nivelului emisiilor poluante.

Avantajele vehiculului electric hibrid comparativ cu unul convenionalsunt dictate n principal de avantajele motorului electric asupra celui cuardere intern. Oricte cercetri s-au realizat i orict de mult a progresattehnologia n domeniul motoarelor cu ardere intern, ncnu se cunoate ntotalitate ce se ntmpl n camera de ardere a motorului i nu este posibilnici s se realizeze, cu o anumit precizie, regimuri succesive identice sau

prestabilite. De asenemea nu se poate ti la un moment dat cu foarte mareprecizie, care va fi cuplul care se produce, ct se pierde din cuplul produssau ct va rmne. Pe de alt parte, cuplul unui motor electric se poatedetermina mult mai simplu, cunoscnd tensiunea i curentul. Este posibil

generarea n orice moment a unui cuplu de ie ire prestabilit dup cum, cuaceeai precizie, acesta va putea fi repetat ori de cte ori se dore te. n acestfel, o main electric, pe lng randamentul mult superior permite i uncontrol mai precis al cuplului i turaiei comparativ cu un motor cu ardereintern.

n plus, un motor electric antrenat de un cuplu extern poate trece nregim de generator i astfel produce energie electric, dar nici un motor cuardere intern n regim de decelerare sau frnare nu va putea sintetizacombustibil. Astfel se explicperformanele deosebite ce pot fi realizate deun vehicul electric hibrid comparativ cu unul clasic propulsat prin motor cuardere intern.

n cazul unui vehicul cu propulsie hibrid, obiectivul major urmrit

const n asigurarea permanent a unei ct mai bune stri de ncrcare abateriei, indiferent de regimul de funcionare. Cnd cuplul de ieire almotorului cu ardere interndepete pe cel necesar propulsiei, surplusul de

putere se utilizeaz pentru antrenarea unui generator electric care refacestarea de ncrcare a bateriei (SOC- state of charge ). Aceeai situaie seregsete n cazul frnrii sau funcionrii n regim de frnde motor cndenergia rezultatdin decelerare este utilizatpentru antrenarea generatoruluii ncrcarea bateriei. Exist situaii n care starea bateriei este bun, astfelnct recuperarea energiei rezultat dintr-un regim de decelerare nu se

justific. Pentru a asigura funcionarea eficient cu un randament superior,n astfel de situaii motorul cu ardere intern este oprit. Situaia respectiv

prezint dezavantajul c dispozitivele auxiliare antrenate de regul de

motorul dcu ardere intern(pomppresiune ulei, pompde ap, etc.) nu vormai funciona nici ele. Din aceastcauz, motorul cu ardere internaflat n


7/72

7

stare de nefuncionare va trebui sfie antrenat de ctre motorul electric la oturaie constant, minim(de regul turaia de mers n gol), consumndu-seastfel surplusul de energie ce nu poate fi redirecionat spre ncrcarea

bateriei i asigurndu-se n acelai timp i funcionarea continu adispozitivelor mecanice sau hidraulice auxiliare.

n cazul n care puterea cerutde regimul de funcionare al vehicululuieste mai mic dect o valoare prestabilit i totodat inferioar puterii pecare motorul cu ardere intern o poate genera ntr-un regim de funcionarecu randament ridicat (de obicei puterea maxim a motorului cu ardereintern), vehiculul poate fi propulsat pe perioade scurte de timp sau la

pornire doar de ctre motorul electric n cazul n care starea de ncrcare abateriei permite acest lucru. Daceste necesarncrcarea bateriei, motorulcu ardere internva funciona n regimul de eficienmaxim, surplusul de

putere fiind utilizat pentru antrenarea generatorului i producerea de energieelectric.

Atunci cnd este necesar un cuplu sau o accelerare mare, modul 1(mecanic) sau modul 2 (electric), vor fi imediat comutate pe modul 4 (mixt)

i meninute pnce vehiculul atinge o anumit cretere de viteznecesarsolicitrii. De regul, modul mixt este un regim de asistare a motorului cuardere intern de ctre motorul electric prin suplimentarea puterii primuluii evitarea funcionrii n regimuri neeconomice i/sau poluante.

Un vehicul electric hibrid comandat corespunztor poate avea unconsum de douori mai redus dect vehiculul propulsat clasic de un motorcu ardere intern cu aceleai caracteristici cuplu, turaie la ieire. Aceastanseamn att o autonomie dubl dar i o reducere a nivelului de poluare

prin eliminarea regimurilor tranz itorii sau de funcionare n gol a motoruluicu ardere intern. Pornirea clasic prin starter, unul dintre regimurile celemai poluante i ne-economice este nlocuit cu pornirea cu ajutorulmotorului electric. n acest sens, motorul cu ardere intern va fi rotit

uniform, printr-un control corespunztor al motorului electric, la o turaieconstant de pornire. Printr-o comand corespunztoare a unghiului dedeschidere a clapetei de acceleraie i a injectorului de combustibil, ambele

pe bazde cartograme, motorul cu ardere internva fi antrenat la turaia demers n gol, ntr-un regim de randament maxim, pn cnd va fi capabil smen in singur turaia respectiv, iar sarcina motorului va crete n funciede dorina conductorului auto.

Toate aceste avantaje ale utilizrii vehiculului electric hibridcomparativ cu unul clasic alimentat cu aceeai energie sunt evideniate prin

bilanul energetic descris n Tabelul 1.1 [ ]. Valorile date suntaproximative i specifice unei anumite arhitecturi de vehicul hibrid. Aacum s-a precizat anterior, vehiculele electrice hibride au fost proiectate

avnd ca obiectiv primordial mbuntirea economiei de combustibil ireducerea nivelului emisiilor poluante la valori care nu pot fi atinse prin


8/72

8

propulsarea cu motor cu ardere intern, indiferent de soluiile tehnologiceutilizate.

Tabel 1-1

Sursa de energie/

Consumator

Vehicul electric

hibrid

Vehiculconvenional

(motor cu ardereintern)

Combustibil 100 100

Pierderi n transmisie -6 -6

Pierderi lafuncionare n gol

0 -11

Pierderi nechipamenteleauxiliare

-2 -2

Piedrei n motorul cuardere intern

-30 -65

Recuperare prinfrnare saudeccelerare

+4 0

Total Energiermas

66 16

Dat fiind faptul c ntr-un vehicul electric hibrid, motorul cu ardereinternreprezintprincipalul factor de scdere a randamentului, unul dintreobiectivele strategiei de control l reprezint forarea funcionrii motoruluicu ardere interndoar n punctele de randament maxim i n regimuri stabilede lucru. Cellalt obiectiv, la fel de important constn controlul permanent

al strii de ncrcare i asigurarea ncrcrii sau descrcrii bateriei astfelnct funcionarea ei sse realizeze n permanencu randament maxim.

1.2. Criterii de clasificare a vehiculelor electrice hibride

Dei exist o diversitate de soluii constructive a vehiculelor electricehibride concretizate ntr-o serie de prototipuri sau de produse de seriecomercializate cu succes, o clasificare general a acestora se poate face fiedupmodul de interconectare a celor doudispozitive de propulsie n cadrulliniei de traciune, fie dup legtura dintre cele dou surse de energie de la

bord.Dupmodul de interconectarea a celor dou sau mai multe motoare n

linia propulsoare, vehiculele electrice hibride se clasificconstructiv n treicategorii:


9/72

9

1. vehiculul electric hibrid serie (VEHS) n care propulsia esteasiguratde un singur convertor de energie, de regul cel alimentat

prin energie electric;2.

vehiculul electric hibrid paralel (VEHP) n care energia pentrupropulsie este furnizat de dou sau mai multe convertoare deenergie, una primar (energie rezultat din arderea combustibilorfosili), respectiv una secundar sau auxiliar (de regul, energieelectric);

3.

vehiculul electric hibrid mixt (n configura ie serie/paralel) VEHSPcare, aa cum sugereaz i denumirea, este combinaie a celor douconfiguraii anterioare.

Dup interdependena dintre sursele de energie aflate la bord,vehiculele electrice hibride se pot clasifica n:

a) cele cu autonomie de funcionare extins utiliznd energia electric

ca sursprimarpentru propulsie (Range-extender), RE;b)

cele cu propulsia asigurat n principal de arderea combustibililorconvenionali i susinut electric de la o surs auxiliar de energie

electric(Power-Assist),PA.n categoria RE intr n principal vehiculele electrice hibride pentrucare sursa primar de propulsie este sursa de energie electric, pentruaceasta fiind necesare baterii de mare capacitate i gabarit, cu posibilitate dencrcare de la reeaua localde tensiune alternativ. Vehiculele hibride detip RE funcioneaz n cea mai mare parte a timpului n mod ZEV (Zero-Emission-Vehicle). Energia pe baz de combustibil (benzin, motorin,metanol), se folosete pentru a extinde domeniul de autonomie alvehiculului prin refacerea strii de ncrcare a bateriei, SOC, cu ajutorulunui convertor de energie (generator, alternator). Motorul cu ardere interneste de putere redus, 5-20 kW, suficient s propulseze vehiculul ntr-untrafic lejer la turaie redus, atunci cnd bateria este aproape de limita de

descrcare pn la o reea electric de rencrcare. Exist i posibilitateaopririi vehiculului i utilizarea motorului cu ardere intern ca surs la bord

pentru rencrcarea bateriei. n configuraia RE, motorul cu ardere internmpreun cu generatorul electric formeaz aa numita surs auxiliar de

putere. Dac nu se consider sursa de nmagazinare a energiei electrice,caracteristicile respective sunt specifice unei configuraii hibride serie cutransmisie electric.

Vehiculul electric hibrid din categoria PA (Power Assist) utilizeazcombustibilul convenional ca surs primar de energie utilizat n

propulsie. Energia electric este destinat s preia vrfurile i s nivelezefluctuaiile ce rezult n timpul propulsiei prin energia rezultatdin ardereacombustibilului din rezervor. De regul, un vehicul electric hibrid din

aceastcategorie este un vehicul convenional propulsat printr-un motor cu


10/72

10

ardere interncare folosete nso linie propulsoare hibridtocmai pentru aeficientiza utilizarea i distribuia energiei. Caracteristicile respective suntspecifice configuraiei hibride de tip paralel.

Cercetrile i testele practice au demonstrat c vehiculele proiectateastfel nct motorul cu ardere intern s poat prelua componenta continude putere, iar motorul electric s furnizeze diferena dintre vrfurile de

putere i puterea motorului cu ardere intern rmne varianta cea maiperformantde autovehicul ca eficien de funcionare.

O alt clasificare a vehiculelor electrice hibride privit tot prin prismaschimburilor energetice se refer la posibilitile de refacere la bord a striide ncrcare a bateriei raportat la o anumit autonomie de funcionare saula un anumit test de deplasare standardizat. n conformitate cu acest criteriu,vehiculele hibride se pot clasifica ntr-una din urmtoarele douclase:

A. cu refacerea i meninerea strii de ncrcare - CS, (Charge

Sustaining). n acest caz un vehicul electric hibrid este astfelproiectat nct s fie capabil s-i menin starea de ncrcarecorespunztoare, n aproape toate condiiile de funcionare. Acesta

este de altfel i obiectivul primordial al strategiei de control pentruun astfel de sistem hibrid. Strategia CS asigur men inerea strii dencrcare ntre dou limite prestabilite, inferioar i superioar.Pentru a asigura o funcionare eficient a bateriei i a prevenidescrcarea accentuat sau chiar deteriorarea bateriei, limitainferioarse alege de regulnu mai micde 55% din starea maximde ncrcare, iar limita superioar aproximativ 60-70% din valoareamaxim. De ndat ce limita minim de ncrcare a bateriei esteatins, sistemul de control comut n starea de ncrcare, n care o

par te din puterea motorului cu ardere intern este utilizat pentruacionarea generatorului. Dup atingerea pragului superior dencrcare, sistemul de control comutdin nou n regimul de partajare

a cuplului. Referina la aceast categorie i are sens doar raportatla un anumit traseu de parcurs, de regul un ciclu de testarestandardizat;

B. cu descrcarea continu a bateriei, CD, (Charge Depletion). ncondiiile normale de lucru, nefiind posibil men inerea strii dencrcare, propulsia vehiculului electric hibrid genereazo golire,o epuizare progresiv a bateriei, astfel nct, atunci cnd starea dencrcare scade sub o anumit limit, rencrcarea bateriei devineobligatorie. Rencrcarea bateriei se poate face fie de la re ea, fieregenerativ din decelerri i frnri, fie prin sursa auxiliar deenergie aflat la bord (APU- Auxiliary Power Unit). O meninere astrii de ncrcare a bateriei la bordul unui astfel de vehicul nu ar fi

un proiect practic (ca pre, ca gabarit, etc.).


11/72

11

i pentru acest mod de clasificare trebuie fcut o precizare: existmoduri de funcionare de tip CSsau CD, respectiv arhitecturi hibride de tipCS sau CD, dar utilizarea acestor termeni trebuie fcut cu pruden . Se

poate astfel afirma cmodul de funcionare frpoluare, ZEV este un modde descrcare continua bateriei.

Modurile de funcionare ale vehiculelor electrice hibride sunt elementeale strategiei de gestionare a resurselor energetice de la bord. Dupcum s-aartat anterior, un vehicul electric hibrid poate dispune de un anumit set demoduri de funcionare, de exemplu: cel specific vehiculelor propulsateclasic prin motor cu ardere intern, cel specific vehiculelor electrice avndemisii nule, (ZEV), cu refacerea continu a strii de ncrcare de tip CS, cureducerea continu a ncrcrii bateriei de tip CD, cu recuperarea energieicinetice (frnare recuperativ), sau cu consum redus de putere, precum imulte altele.

Sub aspect constructiv ns, un vehicul electric hibrid poate fi de tip CSsau CD. Astfel, vehiculul electric hibrid cu posibiliti de refacere on-linea ncrcrii bateriei, adic de tip CS, poate funciona n modul CD cu

descrcare continu a bateriei. Tranziia dintre modul CS i modul CD vadepinde doar de necesitile energetice specifice unui anumit ciclu deparcurs i de posibilitile specifice ale componentelor electrice de generarei consum a sarcinii aflate la bord. Important este faptul c pe ansamblu,

bateria nu se va descrca sub limita bunei funcionri, indiferent de regimulde funcionare.

Totui, un vehicul electric hibrid proiectat ca CD (de exemplu de tipZEV) nu poate funciona oricnd cu refacerea strii de ncrcare a bateriei,dect numai n situaiile n care solicitrile energetice ale propulsiei suntreduse.

Clasificri ale propulsiilor hibride pot fi fcute i dupalte criterii, maipuin importante printre care se pot aminti cele legate de tipul motorului cu

ardere intern utilizat, respectiv dup localizarea celor dou motoare,motorul cu ardere intern i motorul electric n raport cu transmisia final.Ultimul caz se refer de fapt la plasarea motorului electric, fie de aceea i

parte cu motorul cu ardere intern ca intrare n transmisia final, fie duptransmisie, aceasta din urm acionnd efectiv doar asupra motorului cuarder intern. Deoarece configuraiile respective sunt specifice strictmodului hibrid paralel, ele vor fi tratate n paragraful ce descrie arhitecturarespectiv.

1.2. Vehicule electrice hibride de tip serie

Vehiculul electric hibrid n configuraie serie, VEHS, include ca sursprimar de propulsie, motorul electric i ca surs primar de energie,

bateria, prin aceasta avnd multe aseamnri cu un vehicul electric. Cea de-


12/72

12

a doua surs de energie poate fi de exemplu un generator ac ionat demotorul cu ardere intern, bloc de celule solare, sau pile de combustie.

ntr-un vehicul electric hibrid serie, motorul electric propulsor poatefi alimentat att de bateria de propulsie precum n configura ia specificunui vehicul pur electric, ct i de sursa secundar de energie, sau invers,sursa alternativ de energie poate ncrca bateria de propulsie independenti/sau concomitent cu generearea forei de propulsie. Altfel spus, sursasecundar de energie este utilizat, de exemplu, numai cnd putereafurnizatde baterie este insuficientca motorul electric sasigure un cuplucorespunztor cu solicitarea la roata motoare, sau cnd starea de ncrcare a

bateriei scade sub un anumit prag.Beneficiul configuraiei serie const n faptul c motorul cu ardere

intern nu este cuplat cu roilor motoare, propulsia rmnnd numai nseama motorului electric. Acest lucru permite optimizarea funcionriimotorului cu ardere internn regimuri de cuplu i turaie optime indiferentde sarcin i fr trecerea prin stri tranzitorii. Rezultatul const ntr-unconsum redus de combustibil i un nivel mult mai redus de emisii poluante

comparativ cu un motor cu ardere internconvenional, compatibil chiar cucel al categoriei vehiculelor cu emisii nule, ZEV, atunci cnd propulsia seface doar n regim cu descrcare continu a bateriei, sau cnd sursasecundar de energie utilizeaz pile de combustie cu hidrogen. Din acestmotiv autovehiculele hibride serie sunt extrem de indicate pentru un traficurban sau suburban aglomerat specific marilor orae.

Atunci cnd sursa auxiliarde energie (motorul cu ardere internMAIplus generatorul electric G) este utilizat pentru alimentarea motoruluielectric ME, bateria avnd rol de surssecundarde energie, supraveghereastrii de ncrcare poate fi suprimat deoarece bateria genereaz doar nsituaii de criz, sau stocheaz surplusul de energie generat de sursaauxiliar. Cnd SOC scade sub un anumit nivel, bateria se poate rencrca

de la sursa auxiliarde energie (generatorul G) astfel nct o alimentare cuenergie electric extern de la o staie specializat, nelipsit n cazulvehiculelor pur electrice, devine pentru vehiculele electrice hibride serie ooperaiune foarte rarsau chiar evitabil.

Fig.1.1 prezint schema bloc a unui vehicul electric hibrid serie ncare, sursa auxiliar de energie este reprezentat de un motor cu ardereintern, MAI, ce antreneaz un generator electric G. Motorul electric MEantreneaz axul roilor motoare printr-un angrenaj diferenial sau un altdispozitiv echivalent. Motorul electric este alimentat cu energie electricdela bateria de propulsie prin intermediul unui convertor de putere avndfuncionare reversibil. Astfel, n timpul frnrii motorul funcioneaz cafrn electric, iar energia provenit din frnare este convertit n energie

electric i utilizat pentru ncrcarea bateriei tot prin intermediulconvertorului de putere. Deoarece motorul electric este de obicei de curent


13/72

13

alternativ, AC, iar ncrcarea bateriei se face n curent continuu, DC,convertorul de putere poate funciona att ca invertor (transform energiaelectric din curent continuu n curent alternativ) ct i ca redresor(transform energia electric din curent alternativ n curent continuu).Funcionarea sa este comandat de ctre o unitate electronic de control,UECpilotatde microprocesor n raport cu semnalele primite de la senzoriide turaie ai motorului electric i de unghi al clapetei de acceleraie. n acestfel se asiguro adaptare a cuplului de ieire al motorului electric cu regimulde funcionare cerut de conductorul vehiculului.

Fig.1.1 Vehicul electric hibrid n configuraie serie

La rndul ei, bateria este conectat la un generator G acionat demotorul de ardere intern tot prin intermediul unui convertor de putere careare n acest caz doar o funcie de redresor. Energia electricgeneratpoatefi utilizat deci la ncrcarea bateriei prin intermediul convertorului de

putere redresor sau poate fi utilizat pentru alimentarea motorului electricprin intermediul primului convertor de putere. Atunci cnd bateria nu poatefurniza suficient energie motorului electric, sau cnd starea de ncrcare,scade sub un anumit prag, UEC va comanda pornirea starterului pentru a

porni motorul cu ardere intern. Cnd motorul cu ardere internfuncioneaz, unitatea electronic de control comand generatorul G astfel

nct turaia motorului cu ardere internmsuratde senzorul de turaie N2


14/72

14

snu aibvariaii brute i astfel sasigure un consum i un nivel de emisiipoluante mai reduse comparativ cu cele ale unui vehicul convenionalgenernd aceai putere. n acelai timp, UEC controleaz puterea electricgeneratde generatorulG sau turaia motorului cu ardere internMAIastfelnct starea de ncrcare a bateriei detectat de traductorul SOC s rmnn limite prestabilite, evitndu-se variaii brute i excesive precum celespecifice vehiculelor electrice clasice.

De regul, exist dou strategii de control a unui vehicul electric nconfiguraie serie. n prima strategie generatorul este antrenat de motorul cuardere internMAIpnla atingerea unui anumit nivel al strii de ncrcarea bateriei, moment n care motorul cu ardere intern este oprit. Vehicululfuncioneaz n regim ZEV cu epuizarea bateriei (CD) pn cnd starea dencrcare SOC atinge un nivel limit inferior. n acel moment, motorul cuardere intern MAI este din nou pornit pentru a antrena generatorul.Deoarece ntreg acest proces de reglare de tip totul/nimic (on/off)seamn cu cel de meninere a unei temperaturi constante, n acest cazstarea bateriei, modul de funcionare respectiv este cunoscut sub numele

termostat. n acest strategie, motorul cu ardere intern funcioneazindependent de regimul de lucru al vehiculului.n cea de-a doua strategie de control al vehiculului electric hibrid

serie, motorul termic este n func iune tot timpul i regimurile sale defuncionare urmresc, cu anumite limite, cerinele de sarcinale vehiculului.

Nu este ns vorba de susinerea propulsiei vehiculului, ci de a asiguraexistena unei energii necesare pentru motorul electric ME indiferent deregimul la care acesta este supus. Pe parcursul unor solicitri crescute n

propulsie, sarcina motorului electric se mrete considerabil, curentulabsorbit de la baterie crete solicitnd direct generatorul i indirect motorulcu aredere internMAI. n timpul decelerrilor sau frnrii, sarcina scade

brusc, puterea generatorului se reduce la fel ca i sarcina motorului cu

ardere intern.Vehiculul electric hibrid serie ofer, comparativ cu celelalte variante, omai mare autonomie privind alegerea, plasarea i strategia de control asursei auxiliare de energie. n locul motoarelor termice pot fi utilizateturbine, motoare rotative Stirling, sau pile de combustie. Deoarece sursaauxiliar de energie nu trebuie plasat n imediata apropiere a arboreluimotor, pot fi concepute diverse variante de caroserii, optimizate subaspectul preului, gabaritului i funcionabilitii.

Dezavantajele vehiculelor electrice hibride serie provin din pierderilede randament survenite n conversiile succesive de energie: energiemecanic n energie electric i apoi energie electric n energie mecanicde propulsie. Pierderi suplimentare rezultdin stocarea energiei n bateriile

de acumulatori n intenia unei viitoare utilizri. Din aceastenergie doar oanumitparte se returneazdatoritrezistenei interne a bateriei, rezistenei


15/72

15

interne i randamentului generatorului. Altfel spus, ceea ce se ctig prinfuncionarea motorului cu ardere intern cu randament maxim se pierdedatoritineficienei conversiilor energetice electrochimice. Din acest motiv,n circuit interurban, consumul de combustibil este mai mare comparativ cucel al variantelor hibride de tip paralel.

De asemenea, performanele dinamice ale vehiculului hibrid seriesunt limitate datorit imposibilitii de suplimentare sau de asistare a surseielectrice de traciune n propulsia vehiculului. Pe baza analizei

performanelor diferitelor prototipuri realizate de vehicule electrice hibridede tip serie s-a dovedit c aceste vehicule sunt mai scumpe i mai puineficiente dect dect vehiculele electrice hibride de tip paralel [ 2 ].

1.3.Vehicule electrice hibride de tip paralel

n vehiculele electrice hibride de tip paralel ambele motoare,motorul cu ardere internMAI, respectiv motorul electric ME sunt utilizateca sursde cuplu pentru propulsie. Aa cum se observdin Fig.1.2 motorulcu arder internMAIeste conectat la roile motoare la fel ca la un vehicul

convenional cu diferena c, tot la axul roilor motoare acioneaz imotorul electric.

Fig.1.2 Vehicul electric hibrid n configuraie de tip paralel


16/72

16

Maina electricare o funcionare reversibil, att ca motor ct i cagenerator. Exist configuraii funcionale care pe lng motorul electric(asincron, de curent continuu frperii, sincron) utilizeazi un generatorGcuplat n permanen la motorul cu ardere internMAIsau, mai general doumaini electrice ce pot funciona independent att ca motor ct i cagenerator. Cele mai utilizate pentru acest scop sunt motoarele sincrone fr

perii i motoarele cu reluctanvariabil.n configuraia de tip paralel, motorul cu arderinternMAIeste cel

care asigur n mare parte fora de propulsie, n timp ce maina electric,ME/G suplimenteaz cuplul necesar n regimurile de variaie brusc acuplului la roata motoare, precum n accelerri sau decelerri.Comparativ cuun vehicul convenional, vehiculul electric hibrid de tip paralel (VEHP)asigur o reducere att a nivelului emisiilor poluante ct i a consumului,tocmai prin acest suplimentare de putere extern asigurat de mainaelectricME/G n regimurile tranzitorii de funcionare a motorului cu ardereinternMAI. Bateria este necesar att pornirii motorului cu ardere intern

MAI ct i alimentrii cu energie electric a mainii electrice ME/G la

funcionarea ca motor. Atunci cnd maina electricME/G funcioneaz nregim de generator, bateria va stoca energia electricprodus n funcie deindicaia blocului de supraveghere a strii de ncrcare.

Ca urmare, vehiculul electric hibrid de tip paralel reprezintun vehiculcu motor cu ardere internce conine n plus, o main electricreversibili o baterie de stocare a energiei electrice. Dat fiind faptul c motorulelectric asist doar motorul cu ardere internMAI i numai n anumiteregimuri de lucru, fr a deveni fora principal propulsoare, bateria destocare are un volum relativ redus comparativ cu celelalte varianteconstructive de vehicule hibride.

Pentru a funciona cu eficien maxim din punct de vedere alconsumului i al reducerii nivelului emisiilor poluante, motorul cu ardere

intern are regimul de lucru fixat n apropierea punctului de sarcin maxim, iar turaia sa trebuie meninutct mai constant. Din acest motiv,vehiculele electrice hibride de tip paralel trebuiesc construite cu MAIavndraportul dintre puterea i masa motorului n [kW/kg] ct mai mare. Deregul sunt preferate motoarele mai mici, mai uoare, creterea n putererezultnd prin utilizarea unor tehnologii avansate precum distribu iavariabil cu ciclul de admisie extins, obturatorul galeriei de admisiecontrolat integral electronic, controlul simultan al debitului prin galeriile deadmisie i evacuare n vederea reducerii ntrzirilor de umplere, etc.Utilizarea unor motoare mai mari conduce la nrutirea consumului i alnivelului emisiilor, fiind justificatdoar n situaiile de urgencnd, fie dincauza strii de descrcare a bateriei, fie din cauza altor defecte, propulsia

vehiculului rmne doar n sarcina motorului cu ardere intern.


17/72

17

Ambele surse de propulsie sunt cuplate la ro ile motoare prinintermediul unei transmisii cu mai multe trepte (manuale, automate saucontinuu variabile CVT) i un distribuitor de cuplu de tip planetar. Aceastaface ca motorul cu ardere internMAIspreia din plin regimurile tranzitoriiavnd nsavantajul unui sprijin din partea motorului electric.

ntr-un vehicul hibrid n configuraie tip paralel exist n principiu,doustrategii de funcionare a motorului electric ME: ca furnizor de forde

propulsie n momentele de solicitare maxim a motorului cu ardere internMAI, respectiv ca stabilizator al sarcinii motoruluiMAI.

Prima modalitate de asistare a motorului cu ardere intern se refer lasituaiile n care posibilitile acestuia de a rspunde rapid la diferiteaccelerri sunt insuficiente, regimuri n care motorul electric ME intervineaducnd surplusul necesar de putere, ceea ce determin o reducere aconsumului i nivelului de emisii ale motorului cu ardere internMAI,crescute de regul pentru aceste regimuri. Trebuie remarcat la aceaststrategie cvehiculul electric hibrid funcioneazn regim de consumator deenergie electric numai n situaiile n care bateria este ntr-o stare de

ncrcare adecvat. n acest caz avem de-a face cu un vehicul electric hibridde tip paralel n configuraie CS (cu susinere a strii de ncrcare abateriei).

Strategia de stabilizare a sarcinii impune funcionarea motorului cuardere internMAI n regimuri stabile cu randament ridicat i cu evitareaoricror regimuri tranzitorii, regimuri n care o parte din sarcina propulsieieste preluat de motorul electric ME n timp ce motorul cu ardere intern

MAI funcioneaz numai n regimuri stabile cu randament maxim. Atfel, nregimurile de sarcin redus, motorul cu ardere intern este decuplat de latransmisie i oprit sau, este folosit doar pentru regenerarea strii bateriei.

Din punct de vedere structurii prii electrice a lanului propulsor, laarhitectura paralel se deosebesc dou tipuri de sisteme electrice hibride

utilizate cu precdere de productorii de autovehicule: semi i integralhibride. Ambele combinpropulsia mecanicpe bazde combustibili cu ceaelectric pentru obinerea unor reduceri de consum i emisii poluante.Sistemele integral hibride (IH) pot s beneficieze independent de propulsiestrict mecanic sau strict electric, ori de ambele simultan, iar procentul de

putere electric n propulsie este mai nsemnat. Sistemele semihibride (SH)includ frnare de tip regenerativ, posibilitate de asistare a MAIn regimurilen care acesta are nevoie de sus inere n propulsie, dar nu permit o propulsiestrict electric. Trebuie fcut precizarea c moroarele cu ardere intern

prevzute cu dispozitive integrate de tip starter/generator (vezi Fig. ai b)specifice noii arhitecturi a sistemelor electrice de 42V nu sunt consideratevehicule hibride. Ele au o capacitate de propulsie limitat, fiind utilizate

doar la pornirea vehiculului cu energie de tip electric, iar capacitatea de


18/72


19/72

19

ei. Din acest motiv, primele autovehicule hibride de serie (Toyota Prius,Honda Insight, Nissan Tino) dispuneau de o capacitate relativ limitat a

bateriei fapt ce nu le permitea funcionarea susinut ntr-un regim purelectric. O dat cu creterea numrului de vehicule hibride comercializate

preul bateriilor va scdea determinnd o mrire a autonomiei la 30 60km, respectiv o scdere a preului la aproximativ 1,5 /100 km. Toyota PriusTHSII, cea mai avansata arhitectur integral hibrid existent la momentulredactrii acestei lucrri dispune de o autonomie de maximum 2 km la ovitezde vrf de 50 km/h n modul pur electric, EV.

n fine, o alt clasificare a arhitecturii hibride paralele are n vederedispunerea elementelor lanului propulsor, MAI, ME/G, Transmisie,respectiv numrul de axe motoare, generatoare de for propulsoareexistente n lanul de propulsie (uneori acest concept vizeaz mai curndcoliniaritatea, respectiv dispunerea paralel a axelor arborilor motori). Sedeosebesc astfel configuraii cu axcomun, cu dousau cu trei axe.

n configuraia cu o singur axMAI, Transmisia i ME sunt aezatecoliniar pe aceeai ax. n funcie de plasarea MEdup transmisie sau ntre

MAIi transmisia finaldistingem douarhitecturi distincte. Aa cum se vaarta n continuare, atunci cnd configuraia lanului propulsor include doumaini electrice conectate cu motorul cu ardere interni arborele de ieire

printr-un mecanism de tip planetar, utilizarea unei transmisii finale nu maieste necesar. Din contr, arhitectura hibrid care conine o singurmainelectricde tip motor/generator cuplat cu MAIva necesita includerea uneitransmisii automate, TA sau continuu variabile, CVT (mai rar transmisiemecanic) plasatntr-una din cele douconfiguraii prezente n Fig. .

n configuraia a maina electric reversibil ME/G poate fi cuplatdirect la roi sau ntre transmisie i roi. Dac rotorul se plaseaz direct pearborele secundar al transmisiei, n timpul frnrii sau a regimului de frnde motor, MAI este antrenat de generator a crui randament de producere a

energiei electrice scade datorit frecrilor ineriale ntre piesele aflate nmicare de rotaie cu att mai importante cu ct tura ia arborelui cotit estemare. Deoarece raportul invers de transmisie are valoarea minim n prizadirect sau n suprapriz, sistemul electronic de comand va asiguracuplarea n aceste trepte atunci cnd este detectat un regim de frnareregenerativ.

n configuraia bmaina electric reversibil este intercalat ntre MAIi transmisie fiind cuplatla arborele cotit prin intermediul unui ambreiaj A.Strategia de selectare a treptei de vitezn regimuri regenerative de energieelectric va trebui aleas n raport cu starea MAI. DacMAI este oprit,unitatea de control comand decuplarea ambreiajului A i selecteaz otreaptde vitezcare soptimizeze funcionarea regimul generatorului G. n

acest caz MAInu constituie o sarcin la arborele rotorului astfel nct va fi


20/72

20

selectato treaptcare soptimizeze randamentul de funcionare al mainiielectrice.

Fig. Configuraii paralele de tip SH cu o singuraxi transmisie automat

Dac motorul nu este oprit, dar funcioneaz ca o frn (sistemulelectronic de injecie oprete alimentarea cu combustibil), iar ambreiajul Armne cuplat, treapta de vitez selectat de UCE transmisie va urmri sopreasc MAI ntr-un mod ct mai eficient pentru regimul regenerativ deenergie electric. Se alege astfel una din treptele superioare care s reducsarcina pe axul generatorului i spermitoptimizarea att a frnrii ct i ancrcrii bateriei prin controlul valorii curentului generat. Dac sarcina laarborele generatorului este deja crescut (prin forarea arborelui cotit laturaii mari), randamentul de generare va fi oarecum limitat.

Pe scurt, strategia de control determindacMAIeste oprit, n care caztreapta de vitez se selecteaz pentru a obine un randament maxim al

ME/G, iar dacMAI funcioneazse va selecta o treaptde vitezsuperioarcare s asigure n mod direct optimizarea funcionrii acestuia i indirect,

prin reducerea sarcinii la ax, mrirea randamentului generatorului. nstrategia respectiv poate fi luat n consideraie i optimizarea strii dencrcare a bateriei, SOC, alegerea treptei de viteze optime devenind i maicomplicat. Cele discutate anterior se refer la regimul de funcionare alautovehiculului n regim regenerativ de energie (frn de motor, frn deserviciu, coborre pante), aa numite de cuplu negativ. n regimurile decuplu pozitiv ale MAI, strategiile de selectare a treptelor de vitezurmresc

fie funcionarea optima acestuia (randament maxim MAI ), fie a ntregului


21/72

21

lan de transmisie a cuplului ( ( )[ ]iMAI gn,Tmax ) exprimat prin produsuldintre randamentul MAI i raportul de transmisie a cutiei de viteze.

Atunci cnd n configuraia hibrid paralel este inclus o transmisiecare funcioneazdupprincipiile unui lanpropulsor convenional, nu va fiposibilselectarea, nici n mod automat i mai ales, nici manual a treptei de

vitez optim care s ia n considerare sporul sau din contr, consumul decuplu determinat de intervenia motorului electric, respectiv generatorului npropulsia autovehiculului.

ntr-o transmisie convenional (manual sau automat) treapta devitez se alege n raport cu specificul variaiilor de vitez i a plusului deaccelerare dorit. n Fig. sunt prezentate principalele caracteristici (cuplu,putere, consum specific, traciune i izoconsum) n cazul unui autovehiculconvenional.

Caracteristica cuplului ( )mT i a puterii ( )P (Fig. -a) se referstrictla performana motorului definitntre o limitminimi maximde turaiea arborelui cotit ( mn ). Un parametru important al motorului este gradientul

de cretere al cuplului (prin reducerea turaiei de la valoarea ei maxim,

maxn cuplul disponibil crete pe ramura cu +), numit coeficient deadaptabilitate la traciune i definit ca raportul procentual dintre valoareacuplului la turaia maxim, ( )maxnT i valoarea maxima cuplului:

[ ] ( )

100T

nT%c

max

maxt = ( )

Aa cum arati numele, coeficientul de adaptabilitate, cu ct este mairidicat ca valoare permite motorului s rspund mai bine la reduceri ale

puterii datorate, spre exemplu unor creteri n salt a forelor de rezisten lanaintare, n sensul restaurrii regimului de funcionare avut anterior. n

cazul unor valori reduse ale lui tc astfel de destabilizri ale cuplului detraciune pot genera scderea accentuat a puterii sau chiar calareamotorului dacnu se efectueaz schimbarea rapid a treptei de vitez. Esteimportant de amintit c dac cuplul alunec pe poriunea negativ acaracteristicii (n stnga valorii maxT ) funcionarea motorului poate deveni

instabil, fora sa de traciune reducndu-se semnificativ. Pe aceastramura cuplului, gradientul de cretere este prin urmare negativ. Coeficientul deadaptabilitate poate fi astfel comparat cu un tampon de cuplu de rezerv acrui utilitate se reflect i n necesitatea de schimbare mai rar sau maideasa treptelor de vitezpentru un acelai traseu sau suitde regimuri alemotorului.

Rolul transmisiei const n schimbarea manual sau automat atreptelor de vitez tocmai pentru a permite poziionarea n permanen pe


22/72

22

ramura cu gradient pozitiv de cretere a cuplului n diversele limitri ischimbri de regim de vitezimpuse de condiiile de drum.

Fig. Caracteristicile de cuplu, putere, dinamice i izoconsum pentru unautovehicul cu lanpropulsor convenional

Transmisia modific cuplul i turaia motorului, adaptndu-lesolicitrilor de traciune curente ale autovehiculului exprimate prinrezistena la naintare (rezistena la rulare, rezistena aerodinamic, proiecia

ncrcrii normale a roii pe planul de rulare n cazul pantelor ascendente,


23/72

23

etc.). Astfel, unui punct pe diagrama cuplului corespunztor unui regim almotorului ( )mm n,T i corespund unul sau mai multe puncte ( )irr v,F pe

caracteristica dinamica autovehiculului (Fig. b) unde rF reprezintfora

de traciune n treapta de vitez i, iar rv viteza la roat sau de deplasare a

vehiculului n treapta respectiv. Relaiile de transformare rezult din

formulele:

( )r

TiiF mr = , ( ) 30

nr

i

1iv m

= ( )

Sistemele de transmisie automat, TA, sau cele cu raport de transmisiecontinuu, CVT urmresc nu numai poziionarea regimului motor pe ramura

pozitiv a cuplului ci i n zona de consumuri specifice minime (regiuneaumbrit din Fig. a) situat de regul imediat dup regiunea de vrf acuplului la ecart de cteva sute de rpm. Deoarece caracteristicile de

performanaratcmotorul nu poate funciona simultan n regim de cuplui putere maxime, respectiv consum specific minim, sistemele de control

electronic ale lanului propulsor (injecie, transmisie) vor selecta n funciede dorina conductorului auto exprimat prin intermediul pedalei deacceleraie dar i a condiiilor de drum i sarcin, fie regimul de cuplumaxim pentru a obine o forde traciune maxim la viteza respectiv, fiezona polilor de consum minim (vezi Fig. c) pentru mbuntireaeconomiei de carburant i minimizarea nivelului de uzur i zgomot alemotorului. n cazul transmisiilor manuale alegerea treptelor rmne lalatitudinea conductorului auto astfel nct performanele de consum ieficiensunt mai reduse. Indiferent de tipul transmisiei, se poate afirma cao regulgeneral valabilcun numr superior de trepte de vitezpermite omai bun accelerare a vehiculului simultan cu o reducere a turaieimotorului atunci cnd sunt utilizate treptele maxime de transmisie, precumi o reducere a consumului de combustibil, gradului de uzur i a niveluluide zgomot ale motorului.

Fora ideal de traciune produs de un lan propulsor ce dezvolt oputere constantva avea o variaie continupe tot domeniul de vitez, de lacea minim de pornire la viteza maxim. Forma acestei variaii este cea aunei hiperbole i rezultdin relaiile urmtoare:

( ) ( ).ctvF

r

iiv

i

riFTP rr

rrm ==

==

( ).ctPv

1F

rr ==

( )


24/72

24

Practic ns, ca urmare a decuplrii motorului de transmisie noperaiile de schimbare a treptelor de vitez, continuitatea curbei detraciune va fi ntrerupt n aceste puncte de discontinuitate n care senregistreaz o cdere brusc a forei de propulsie. Dac coeficientul deadaptabilitate (rezerva tampon de cuplu) este suficient de mare, iarncrcarea pe roat moderat (corespunztor autoturismelor i vehiculeloruoare), pierderea de vitez i degradarea performanelor dinamice suntrelativ reduse prin utilizarea unei transmisii cu ase, cel mai adesea cincisau uneori chiar patru trepte de vitez.

Fig. Diagrama de schimbare a treptelor de vitezn cazul unei transmisii cu cinci,respectiv 8 trepte

n cazul vehiculelor grele, cderile de turaie ale motorului la

schimbarea treptelor devin suficient de ample nct recuperarea cupluluidevine greoaie i lent, acest lucru repercutndu-se i asupra confortului


25/72

25

ocupanilor. Pentru a reduce amplitudinea cderilor de turaie ale motoruluieste necesar reducerea ecartului dintre treptele vecine, cu alte cuvintemrirea numrului treptelor transmisiei.

Acest lucru este demonstrat n Fig. unde se observcn cazul celoropt trepte cderile de turaie sunt evident mai reduse, turaia motoruluireuind s fie meninut ntre cea maxim,

maxn i cea a valorii maxime a

cuplului, maxTn , practic n zona pozitiv a coeficientului de adaptabilitate.n cazul acestor tipuri de autovehicule, pentru obinerea unui numr dublude trepte de vitezeste mai comodasocierea la transmisia primarcu patru,cinci sau ase trepte a unei transmisii auxiliare, plasatn faa sau n spateleei rezultnd o transmisie compuscu opt, zece sau dousprezece trepte.

La transmisiile automate schimbarea treptelor de vitezeste comandatautomat de ctre o unitate de control electronic a transmisiei pe baza unorinformaii de la senzorii pedalei de acceleraie, vitezei autovehiculului,turaiei motorului i strii de ncrcare a bateriei n cazul propulsiilorhibride precum i a unor cartograme de schimbare a treptelor. Dac, spreexemplu este detectato apsare brusca pedalei de acceleraie ca urmare a

unei solicitri din partea conductorului auto de un plus de putere, unitateaelectronicde control a transmisie, UCE-Tva comuta pe o treaptinferioarde vitezcare sasigure sporul necesar de traciune.

Procesul de comutare automat a treptelor de vitez n cazul uneitransmisii integrate ntr-un lan propulsor hibrid se bazeaz pe strategiioarecum diferite de cele valabile n cazul propulsiei conven ionale.Intervenia mainii electrice reversibile va determina o diferenntre cuplulcerut de conductorul auto, cerutT i cuplul disponibil la ieirea lanului

propulsor, fie prin suplimentare cnd asistMAI, fie prin diminuare cndgenereaz curent electric. Un exemplu de strategie ce poate fi aplicat laschimbarea treptelor n lanul propulsor hibrid prevzut cu o singurmain

electric reversibil (nu sunt luate n considerare eventualele echipamenteelectrice auxiliare precum starterul sau alternatorul) este cea exemplificatn Fig. .

Pe figur este figurat caracteristica optim de traciune (randamentmaxim) n funcie de viteza vehiculului n doutrepte diferite, iTr i jTr , de

regul succesive, cu ji< (raportul de transmisie variaz invers

proporional, ji gg > ). Pentru fiecare caracteristic se obin alte dou noi

caracteristici de traciune rezultate prin translatare superioar i inferioarcu MET i GT reprezentnd cuplul aditiv al motorului electric, respectiv

cuplul substractiv al generatorului electric. Dacpunctul curent de solicitareexprimat de conductorul auto prin pedala de acceleraie, ( )v,TrA i se aflsub caracteristica jTr , atunci, selecia prizei superioare este indicat. Dac


26/72

26

punctul de regim se aflntre cele doutrepte, ( )v,TrB i , n principiu ambeletrepte pot fi alese, practic ns este preferat treapta superioar. Este foarteimportant de precizat c algoritmul de selecie trebuie s utilizezeconversiile cuplurilor MAI, ME sau G la axa arborelui motor, iar n cazulcelor dou configuraii din Fig. s se in seama c ME/G poate s-i

modifice parametrii de ieire (cuplu, turaie) dac sunt trecui printransmisie (cazul b).Algoritmii de selecie din UCE-T se bazeaz tot pe date furnizate de

cartograme care precizeaz cuplul n treapta i n care MAI funcioneaz cueconomicitate maxim (caracteristici de izoconsum), n zona poliloreconomici, maxTm , sau n cazul mainii electrice cu randament maxim,

maxTe , maxTg pentru ME, respectiv G. Condiia de selectare a treptei de

vitezse poate exprima matematic prin rela ia:

( ) ( ) v,iTev,iTmTv,iTgv,iTm *maxmaxcerut*

maxmax + ( )

unde*

i este ignorat n configuraia b.

Fig. Strategia de control a schimbrii treptelor de vitez ntr-un lanpropulsorhibrid cu optimizarea consumurilorMAI

Diferena dintre ( ) cerutmax Tv,iTe este compensatautomat n cadrul

strategiei de control, fie cu ajutorul generatorului fie cu motorul electric, nfuncie de semn. Astfel, n cazul punctului ( )11 v,TA , puterea MAI sesitueaz pe curba jTr peste cea cerut de conductorul auto, diferena va

putea fi utilizat pentru acionarea generatorului. Din contr, n punctul defuncionare ( )22 v,TB puterea ceruteste superioarcelei disponibile laMAI

pentru viteze superioare ns, spre deosebire de lanul de propulsieconvenional nu se trece pe treapta inferioar ci pe cea imediat superioarurmnd ca diferena de cuplu sfie asiguratde motorul electric.


27/72

27

Rezumnd, se poate afirma c strategia de control prezentat comandselecia treptei de vitez pe baza diferenei dintre puterea cerut i ceadisponibil urmrind ca obiectiv primar optimizarea funcionrii MAI(regimuri de economicitate maxim, poluare i zgomot redus), diferena de

putere rezultatfiind eliberatsau absorbit(n funcie de semn) de mainaelectric reversibil. La baza algoritmului de control st cartograma deizoconsum (sau randament) a MAI(vezi Fig. ), respectiv cea de eficiena

ME/G. Prin suplimentarea sau reducerea automat a unei anumite puteri,maina electricpermite o reducere a necesarului de trepte de vitezntr-unlanpropusor hibrid.

Schimbarea modului de funcionare, mecanic/electric va trebui s ia nconsiderare, pentru regimurile n care existrezervde putere de propulsie,care este consumul optim n cele doumodaliti de obinere a energiei. nFig. este prezentato modalitate de schimbare a treptelor de vitezatuncicnd, datoritmodificrii cuplului de rulare cerut la roi se schimbi vitezade naintare fr a modifica turaia i puterea MAI, acesta funcionnd nzonele de economicitate optim.

Fig. Strategie de modificare a treptei de vitez la modificarea puterii i vitezeicerute pentru MAI, n regim de generare energie electric

Iniial, n funcie de unghiul clapetei de acceleraie i turaia MAI este

determinat cuplul motor necesar nvingerii rezistenei la naintare, mT


28/72

28

folosind cartograma de cuplu. Regimul ( )mm ,T i viteza curent denaintare v sunt utilizate pentru estimarea puterii necesare de nvingere arezistenelor de rulare, rP . Pe baza acestor mrimi, din cartograma de

izoconsum a motorului este definit un punct A pe linia de consum minimal

definit prin coordonatele mm~,T

~ . n situaia n care

ArmPP

~> , regimul

definit de punctul A, aflat pe caracteristica de putere constant mP~ este

caracterizat pentru exemplul din figur, de viteza 2v n treapta IIa i o

putere disponibil grm PPP~

A = folosit pentru antrenarea generatorului i

refacerea strii bateriei. n caz contrar, regimul respectiv nu permitegenerarea de energie electric existnd fie soluia ascensiunii pe linia deconsum minimal cu sprijinul motorului electric, fie comutarea pe o altcartogram de izoconsum specific unui alt dozaj, spre exemplu printrecerea de la amestecuri srace la cel stoichiometric.

Spre deosebire de mP~

,Ar

P reflecto mrime instantanee ce depinde de

raportul de transmisie CVTi i randamentul transmisiei CVT . Schemaorganigramei de control este prezentatn Fig. .

Trebuie subliniat c, date fiind condiiile de rulare i comenzileconductorului auto, fracest consum de putere de ctre generator, MAI nuar putea fi antrenat n regimul optimal.

Fig.

Blocul de control al CVT are ca sarcin modificarea continu araportului de transmisie CVTi astfel nct, la variaii ale vitezei de deplasare

a autovehiculului v, turaia motorului s fie meninut la valoarea mn~ , iar

puterea la valoarea stabilm

P~

. Este mult mai simplu de a men ine turaia

MAI constantreglnd continuu raportul de transmisie al CVT dect printr-


29/72

29

un control complex al motorului prin reglarea aprinderii, alimentrii icuplului. Calculul raportului de transmisie instantaneu se face duprelaia:

fCVT

mr ii

]rpm[n60

1000

r2]h/km[v

= ( )

unde r este raza roilor n metri, iar fi raportul de transmisie al etajuluifinal i diferenial de dupCVT.

Astfel, dac regimul de rulare se schimb, fiind caracterizat printr-oalt vitez cerut 3v , n condiiile unei rezistene de rulare ce solicit o

putere echivalentBr

P , noul punct de funcionare este deplasat pe curba de

putere constant n punctul B, MAI men inndu-i astfel neschimbatrandamentul optimal, iar prin modificarea corespunztoare a raportului detransmisie, CVTi , turaia motorului mn

~ va putea fi i ea meninutconstant. Se observ c o cretere a rezistenei la naintare i a vitezei audrept consecine reducerea puterii primite de generator, respectiv a energieielectrice obinute. Din acest exemplu se poate desprinde o concluziedeosebit de importante pentru strategia de control a propulsiei hibride:

Atunci cnd disponibil itile de putere o permit, MAI este meninut

ntr-un regim optimal acoperitor de putere, variaiile datorate condiiilor

diferite de rulare sau regimurilor distincte impuse de conductorul auto i

reflectate la roat fiind absorbite printr-o modificare corespunztoare a

cuplului generatorului, gP n funcie de rP . Invers, atunci cnd

disponibilitile de putere nu o permit, regimul de funcionare al MAI va fi

meninut de asemenea stabil suplimentnd variaiile de cuplu de rulare prin

comanda motorului electric.

Cnd rezerva de putere o permite (ca n cazul exemplului prezentat maisus), unitatea de control va trebui s decid ns care dintre modurile de

funcionare este mai economic, cel pur mecanic sau cel pur electric, fiindcdacse ia n considerare criteriul emisiilorpoluante, alegerea este evident.Pentru calculul consumurilor necesare n cele doumoduri de propulsie suntutilizate cartogramele de izoconsum i randament ale celor dou motoare,cartograme prezentate n Fig. . Astfel, consumul MAI se poate aproximacu cerutiMAI Pcc = , ic fiind izoconsumul (consumul specific) la intersecia

cu hiperbola caracteristicii de putere constant cerutm PP = pentru unghiul de

deschidere al clapetei curent. Prin urmare ic este legat de regimul actual de

rulare al vehiculului prin puterea cerut, iar aceasta de caracteristicaizoconsumurilor prin perechea mT , mn .

n cazul motorului electric, echivalena n consum de combustibil seface lund n considerare randamentele de transformare energetice necesare


30/72

30

producerii de energie electric din energie mecanic (mod generator) iinvers (mod motor) i plecnd de la aceeai putere cerut la roi. nconsecinconsumul echivalent este dat de rela ia:

edbatibatg

miME

iPc~

c

= ( )

ic~ fiind consumul echivalent MAI pentru antrenarea ME/G n regim de

generator. El este independent de condiiile de rulare, nu se msoar ci seestimeaz tot din diagramele de izoconsum pe baza regimului stabil

( )mm ~,T~

definit anterior, a puterii necesare la roi rP i evident a striibateriei SOC.

Fig. Cartogramele de control aMAI,respectivME/G

Formula precedent arat ct din puterea cosumat de la MAI pentruantrenarea generatorului se va regsi n propulsie cu ajutorul motorului

electric innd cont de pierderile conversiilor de transformare a energieielectrice n ambele sensuri. Surplusul de cuplu al MAI fa de cel cerut,echivalent cuplului de antrenare al generatorului este figurat n Fig.

prezentatanterior, prin aria trapezoidalcuprins ntre cele doucurbe, deputere constant, respectiv de putere necesarla rulare. Astfel, estimarea ic

~

necesitpe lngmrimile amintite mai sus i valorile medii ic , g , ibat

determinate n regimuri anterioare definite prin ( )mm ~,T~

i rP , ele fiindstocate pentru aceasta n memoria unitii electronice de comand.

Randamentul generatorului, g rezult din cartograma de eficien a

mainii electrice reversibile din Fig. , n funcie de turaia MAI, mn~ dac

cuplarea este rigid sau lund n consideraie randamentele de cuplare dac


31/72

31

cele doumotoare sunt pe arbori diferii. Randamentele de ncrcare ibat i

descrcare dbat a bateriei pot fi deasemenea disponibile sub form decartogram, n funcie de SOC i cantitatea de energie electricnmagazinat, respectiv consumatde ctre maina electric. Trebuie fcutobservaia c randamentele referitoare la ncrcarea/descrcarea bateriei

depind foarte mult de temperatur, aceasta trebuind luat n considerare laevaluarea formulei (). Spre exemplu, o baterie cu hidruri metalice capabils susin o putere electric de 21 kW n domeniul optim al temperaturilorde lucru (20 )C40 nu va putea asigura dect 5 kW atunci cndtemperature sa de lucru este de C0 .

Tot din cartograma de randament a mainii electrice se determin irandamentul propulsiei electrice, ( )rm P,SOC , definit printr-o pereche( )ee n,T .

Dac MEMAI cc > atunci este selectat modul de propulsie electric, iar

dac MEMAI cc atunci este preferat modul mecanic. n aceast ultimvariant se decide n funcie de valorile puterii necesare la roi i cea defuncionare optimal a MAI dac este posibil i generarea de energieelectricsau dac, dimpotriveste necesaro susinere din partea motoruluielectric. Este foarte important ca n strategia de distribuire a cuplurilor pecele trei componente, motor cu ardere intern, motor electric, generator sse inseama n permanende starea de ncrcare a bateriei. n acest sens,puterea de ieire a sursei de propulsie trebuie corelatcu SOCaltfel se poateca sarcina bateriei s se epuizeze la un moment dat pe parcursul deplasriiautovehiculului hibrid.

O datstabilite modul de funcionare i puterile specifice fiecrei surse

de propulsie, unitatea electronic de control va aborda strategiile necesarecontrolului fiecrui motor n parte. n controlul motorului cu ardere intern,pe lng criteriul de consum minim pot fi considerate i strategii bazate pereducerea la minim a nivelului emisiilor poluante. Aa cum se poatedesprinde din cele prezentate anterior, polii optimi de economicitate iemisii difer, astfel nct strategiile de control a lanului propulsor hibridtrebuiesc bazate pe unul din cele douobiective.


32/72

32

Fig. Cartogramele randamentului i emisiilor poluante (Nox)

Este preferat optimizarea consumului deoarece MAI funcioneaz larandament maxim, iar nivelul emisiilor (funcionarea cu consum minimpresupune amestec srac astfel nct nivelul emisiilor de CO i HC este

oricum redus) poate fi redus suficient de mult prin tratarea n sistemecatalitice. Funcionarea n regimuri de optimizare a emisiilor poluante esteaplicat n special la motoarele diesel ce echipeaz lanurile de propulsiehibride.

Strategia utilizat pentru schimbarea treptelor avnd ca obiectivprimarreducerea nivelului emisii lor poluante este prezentat n Fig. .Pentru simplificarea figurii a fost inclus doar o zon din cartograma deemisii i suprapus peste caracteristica dinamic a celor dou trepte devitez considerate i n exemplul anterior. Punctul C reprezentnd regimulcurent de funcionare al MAIcerut de conductorul auto ( cerut1 TT = ) se aflpoziionat ntr-o zon de poluare mai accentuat. Urmnd strategiaanterioar, trecerea pe treapta

jTr (punctul C de consum optim) ar nruti

i mai mult nivelul de poluare.n cazul lanului propulsor hibrid punctul de funcionare este ales pe

caracteristica inferioar (punctul C), diferena de cuplu fiind asigurat demotorul electric.

Au fost descrise dou strategii de control a MAI, una bazat pemeninerea acestuia n regimuri de economicitate maxim, cealalt pesus inerea funcionrii n regimurile de emisii poluante minime.


33/72

33

Fig. Strategia de control a schimbrii treptelor de vitez ntr-un lanpropulsorhibrid cu optimizarea emisiilorMAI

Dup cum se va putea constata ntr-un capitol urmtor aceste regimurinu sunt suficiente pentru a garanta func ionarea optimizat a MAI la oricevariaie de sarcin, nici n configuraie paralel, nici n cea serie. Estenecesar a se avea n vedere i modul de variaie a caracteristicilor deizoconsum i emisii poluante n funcie de modul de dozare a raportului

aer/combustibil pentru a putea corela corespunztor caracteristicilerespective cu sarcina motorului.

1.4. Vehicule electrice hibride n configurare mixt (dualmode)

Cea de-a treia configuraie constructiv a autovehiculelor hibrideconst ntr-o combinaie a celor dou moduri descrise anterior i se poateclasifica la rndul ei n alte subtipuri n func ie de modalitile specifice decombinare a celor douvariante de baz. Astfel, prin selectarea manualsauautomata modului de lucru se poate trece de la configura ia paralella ceaserie prin modificarea conexiunii mecanice ntre componentele lanului

propulsor.n principiu, varianta hibrid mixt cu comutare configuraiei defuncionare poate fi obinutprin modificarea variantei serie din Fig. i

constn asigurarea unei posibiliti de conectare a axului generatoruluiG la cel al motorului electric ME. Astfel cea mai simpl conexiune mixt(vezi Fig. ) rezult prin montarea generatorului pe arborele de ieire al

MAI, acesta cuplndu-se cu arborele motorului electric aflat pe arborelesecundar, prin intermediul unui ambreiaj Acomandat de unitatea de controla vehiculului hibrid. Prin alimentarea generatorului de la baterie, acestapoate funciona deasemeni ca motor electric.

Secvena de control este conceput astfel nct funcionareaambreiajului s poat fi comandat de unitatea electronic de control UEC

n conformitate cu modul selectat prin comanda MOD. De exemplu, cnd sed comanda modului de configurare paralel, unitatea electronic de control


34/72

34

UEC comand activarea ambreiajului ceea ce conduce la o funcionareasemntoare vehiculului electric hibrid de tip paralel deoarece ambelemaini electrice sunt reversibile putnd funciona ca motor sau ca generator.Cnd comanda MOD specific o configuraie serie, unitatea electronic decontrol UEC comand decuplarea ambreiajului deconectnd astfelgeneratorul de la axul motorului electric i regsindu-se astfel configuraiaserie din Fig.1.2.

Fig.1. Lan propulsor hibrid n configuraie mixt cu schimbare princomutaie a modului de funcionare (serie, paralel)

Acest tip de vehicul hibrid are o flexibilitate mai mare deoarecefuncionarea sa poate fi comandat att n modul paralel ct i n cel serie,fie manual, printr-un simplu buton de la bord n funcie de dorinaconductorului vehiculului, fie automat n funcie de regimul optim defuncionare. De exemplu, n circuitul urban unde scderea nivelului depoluare primeaz, se selecteaz modul de funcionare serie, date fiindregimurile de sarcin i turaie mai reduse specifice acestui tip de trafic.Pentru deplasri cu viteze mari unde configuraia serie nu mai poate

satisface creterile de sarcin ce impun puteri crescute, se va selectaconfiguraia paralel prin activarea ambreiajului.

Comutarea direct, prin ambreiaj, prezint dezavantajul unei ncrcribrute a MAI atunci cnd se comut din configuraia serie (ambreiajuldecuplat) n cea paralel (ambreiajul cuplat) i aceasta mai ales n regimuride putere redus, sau de mers n gol cnd motorul poate cala. MAIva trecede la o sarcin redus (rotorul generatorului) la una relativ important,reprezentat de generator, motor electric, diferenial, punte motoare irezistena de rulare prin intermediul roilor. Ar fi de dorit ca cele douconfiguraii s poat fi active n acelai timp, partajnd acelai MAI, astfelnct cuplul acestuia s poat fi distribuit i la generator i la arborelesecundar n acelai timp, iar modul de funcionare serie sau paralel spoat

fi stabilit nu prin ntreruperea direct a unei legturi mecanice ci prin


35/72


36/72

36

arborele de ieire al DC este blocat, iar legtura cu ME ntrerupt deambreiaj, singura sarcin a MAI este generatorul electric. Sistemul rmnen aceast configuraie serie pn ce SOC a bateriei este la valoareaprestabilit (baterie ncrcat) moment n care generatorul este deconectatelectric. Arborele de ieire al DC este ulterior deblocat, ns cuplareaambreiajului se va realiza abia dup sincronizarea turaiei acestui arbore(prin comanda generatorului ca regulator de turaie similar CVT) cu cea amotorului electric, pentru a reduce gradul de patinare al ambreierii i a mriastfel durata de funcionare a dispozitivului.

Fig.1. Vehicul electric hibrid n configuraie serie-paralel cu partajarecontinua cuplului i schimbare prin comutare a modului de funcionare

De regul, schimbarea vitezelor se face n acelai mod cu cel al uneicutii de viteze automate sau cu raport de transmisie continuu variabil, CVT.Scimbtorul de vitez poate de tip by wire, fr legtur direct cumecanismul de comutare al cutiei de vitez, caz n care se poate integra npanoul de control, sub form de joystick, ct mai aproape de mnaconductorului auto. O astfel de concepie este utilizat, spre exemplu laautovehiculul Toyota Prius (vezi Fig. ), pentru manevrarea treptelor fiindsuficient folosirea unui singur deget, fra lua mna de pe volan. De fapt

n sistemele hibride mixte, fr transmisie distincteste oarecum impropriedenumirea de schimbare de viteze sau de trepte de vitez, mai corect ar fi


37/72

37

utilizarea conceptului de schimbare a regimurilor de funcionare avehiculului hibrid.

Treptele folosite sunt cea neutr (N), deplasare (D), mers napoi (R) ifrnare cu regenerare de energie electric (B). Pentru parcare, similarpoziiei P de la cutiile automate convenionale se prevede fie o poziiedistinctpe levierul schimbtor de regim, fie un buton distinct ca n figuraprecedent marcat cu P. n afara lor, la bord mai pot fi disponobilecomutatoarele configuraiei hibride, MOD (serial, paralel), respectiv aseleciei modului de funcionare pur electric (ZEV) notat de obicei EV.

Fig.1. Levierul de tip shift by wire al selectorului de regimurioperaionale; Toyota Prius THS II

n poziia D a selectorului de regimuri, unitatea de control centralmonitorizeazi starea pedalei de acceleraie. Dacaceasta nu este apsat,generatorul este comandat s genereze un curent redus, ct s produc oncrcare care s simuleze convertizorul de cuplu dintr-o transmisieautomat determinnd astfel senzaii identice ale conductorului auto. La

unghiuri medii i mari de apsare a pedalei de acceleraie se determincuplul necesar cerut de conductorul auto, respectiv necesarul de energieelectric ce trebuie produs de generator. n funcie de acestea rezultturaiile necesare pentru generator i motor, diferena dintre ele fiindabsorbit de variaiile de turaie ale MAI comandat corespunztor pentruacoperirea cererilor de putere ale conductorului auto prin pedala deacceleraie. DacMAI nu le poate acoperi (n cazul unghiurilor mari saumaxime ale pedalei) dect prin alunecarea de pe zonele de economicitate iemisii optime, diferena necesar este preluat de ctre motorul electriccomandat corespunztor.

Dacstarea bateriei se degradeaz, unitatea de control comutsistemuln configuraia serie. Pentru aceasta se trece mai nti generatorul din modul

de generare n modul de control a turaie pentru egalizarea vitezei de rotaiea celor doi arbori cuplai de fiecare parte a ambreiajului. Abia dupaceea se


38/72

38

decupleaz ambreiajul i se comut generatorul din modul de control aturaiei n cel de generare curent. Procednd astfel sunt reduse sau eliminarepatinajul i uzura dispozitivului de cuplare/decuplare.

Singurul neajuns notabil al configuraiei mixte provine din cretereacomplexitii mecanice i a controlului liniei propulsoare mpreun cusporirea greutii vehiculului datorat componentelor suplimentare.Comanda electronic a vehiculelor de acest tip este mai dificil de proiectatcomparativ cu cea a configuraiilor de baz, serie, respectiv paralel. ntregulsistem trebuie s fie capabil s funcioneze mai nti ca un vehicul electrichibrid serie sau paralel, iar apoi s determine care dintre cele doumodurieste cel optim pentru momentul respectiv i s comute ntre cele doumoduri de funcionare fr ca aceast schimbare s fie perceput ntr-unmod brutal sau suprtor pentru ocupanii vehiculului.

Trebuie amintit tot ca un dezavantaj i limitarea autonomiei defuncionare n configuraie serie deoarece capacitatea, respectivdimensiunile bateriei sunt mult mai reduse dect n cazul unui vehiculelectric hibrid serie.

2. LAN PROPULSOR HIBRID CU UN SINGUR MOTORELECTRIC REVERSIBIL I SISTEM DE TRANSMISIEDISTINCT

Configuraia n care motorul electric se afl plasat ntre MAI itransmisia automat este utilizat cel mai des n practic. Cuplul motoruluielectric suplimenteaz pe cel propulsor generat de MAI la pornire sau naccelerri (regimuri tranzitorii). n plus, maina electric funcioneaz nregim de generator deasemenea pentru a suplimenta, dar n sens invers,efectul frnei de motor atunci cnd vehiculul coboar o pant sau este luatpiciorul de pe pedala de acceleraie. Frnarea regenerativcu transformareaenergiei de frnare rezultatla apsarea pedalei de frnn energie electricmbuntete considerabil consumul de combustibil i nivelul emisiilorpoluante. n Fig. este prezentat un lanpropulsor hibrid n configuraia bconceput de firma Honda i utilizat pe modelul Insight i Civic Hybrid.

Exist dou posibilitai de cuplare a ME/G de MAI, fie direct laarborele cotit, fie prin intermediun unui ambreiaj A sau a unui amortizor decuplu. Configuraia cu un singur ax este dificil de pus n practic datoritvibraiilor generate de MAI la arborele de ieire produse ca urmare aexploziilor de ardere din interiorul cilindrilor. Aceste vibraii conduc larotaii excentrice ale arborelui cotit ngreunnd considerabil centrareamotorului electric i a convertizorului hidraulic de cuplu. Dificultatea decentrare este accentuat de faptul c inerfierul dintre rotorul i statorul

mainii electrice trebuie sfie ct mai reduse pentru a micora pierderile deflux i a mri astfel randamentul de funcionare. Erorile de descentrare se


39/72

39

mresc pe msura mririi lungimii rotorului i statorului, mai precis asuprafeelor longitudinale de polariti magnetice diferite care se respinggenernd astfel cuplul motor.

Altfel spus, dac rotorul motorului electric se cupleaz direct cuarborele cotit al MAI(ca de exemplu n cazul Starterului Alternator Integrat)descentrrile provocate de exploziile n cilindrii oblig la utilizarea unuintrefier mrit, proporional cu gradul descentrrii, ceea ce reduce dinputerea de ieire. Pentru a o readuce la valoarea doriteste necesarmrirealungimii motorului electric sau a diametrului rotorului/statorului.

Fig. Lan propulsor paralel semihibrid cu ax unic conceput de firma Honda(modelul Civic Hybrid) n structura:

)ContinuaTransmisie(CVT)AmbreiajeSistem(AG\MEMAI aaa

Dac rotorul este susinut de un element fix al ansamblului propulsor,de exemplu carcasa, aceasta va trebui s aib o form extins pentru aajunge n apropierea arborelui rotor (vezi figura anterioar). n acest caz,dimensiunea axiala ansamblului propulsor se mrete. Poziionarea directa rotorului pe arborele cotit va produce o ncrcare evident a acestuia(lagrul sau cuzinetul de sprijin al arborelui cotit i centrul de greutate alrotorului sunt decalate axial), orice mic dezechilibru fiind amplificat de

ineria masei rotorului aflat n micare de rotaie, de aceea rotorul trebuieconceput cu o inerie redus.


40/72

40

O soluie de reducere a acestor neajunsuri const n plasarea unuiamortizor de cuplu intermediar, ntre motor i transmisie, sau ntre MAI imotorul electric precum i utilizarea unui motor electric cu dimensiunilemrite pe direcie radial i reduse pe cea axial. Se poate deasemeneasepara printr-un ambreiaj motorul electric de MAI, eventual intercalndimediat dup acesta din urm i un hidroconvertizor, iar soluia radicalconst n plasarea ME dup transmisie, direct la puntea motoare printr-unambreiaj. n acest caz, rotorul motorului electric va prelua ns ocuriletransmise prin diferenial de la roi.

Plasarea ME n imediata vecintate a MAI ridic i problema nclziriiexcesive a primului motor de la cldura trasmisde cel de-al doilea. Pentrua reduce masa lanului propulsor hibrid, carcasa unic(motor, transmisie) serealizeazde cele mai multe ori din aluminiu, spre deosebire de statorul MEfabricat din tole de oel cu siliciu, lcuite, presate i asamblate ntr-un blocdistinct. Metoda montrii statorului prin presare foratla cald n carcasa dealuminiu nu mai se poate utiliza n acest caz datorit nclzirii de laMAI acarcasei i statorului n egal msur, dar a dilatrii diferite a celor dou

materiale. Pentru aceasta se utilizeazun manon inelar n care se introduceforat blocul stator. La rndul su manonul, care susine n interior statorulse fixeazprin uruburi de carcas fiind prevzut n acest scop cu un guleri urechi de prindere. Manonul i statorul se realizeazdin acelai material,avnd coeficieni de dilatare identici astfel nct s nu se slbeascstrngerea dintre cele dousubansamble datoritnclzirii de la MAI.

Un ultim aspect legat de arhitectura lanului propulsor hibrid are nvedere modificarea propietilor elementelor metalice situate n apropiereacmpului electromagnetig generat de ME. Astfel, inducerea unor curenireziduali de scurgere n arborele cotit poate produce nclzirea saumodificarea turaiei sale. n plus, orice pulberi metalice rezultate n urmafrecrilor din ambreiaje uscate plasate n vecintatea ME pot fi atrase de

acesta i afecta negativ funcionarea sa prin ptrunderea n lagre, peconectorii electrici sau n alte locaii interne. Mai ales particulele metaliceconinute n pulberea abraziv din ambreiaje atrase i depuse pe zonelepolare ale rotorului i statorului pot s produc modificri perturbative aleliniilor de cmp magnetic, afectnd negativ fora de propulsieelectromotoare generat.

Plasarea motorului electric n imediata vecintate a MAI, cu rotorulchiar pe extensia arborelui cotit n locul volantei aduce pe lng aspectelecomplexe ale montrii mecanice i unele avantaje certe. Astfel localizarearespectiv este cea mai indicat pentru obinerea unei eficiene maxime nstabilizarea i uniformizarea turaiei MAI, dar i pentru transmiterea foreisuplimentare de propulsie. Rotorul, care este relativ greu va afecta rotaia

MAI n sens perturbativ, cu att mai mult cu ct este plasat la distan maimare pe extensia arborelui cotit. n fine, ansamblul celor dou surse


41/72

41

propulsoare acionnd pe un arbore unic este cu att mai robust i rigid cuct cele doumotoare sunt mai aproape unul de cellalt.

Schema bloc de principiu a unui lan hibrid n care ME se fixeaz dearborele cotit n imediata apropriere a MAIeste prezentatn Fig. .

Ambreiajul care cupleaz ansamblul motor MAI, ME la arboreletransmisiei prin distribuitorul de cuplu poate fi multidisc sau cu plciferodou presate prin intermediul unei plci de presiune acionat de unpiston hidraulic. Cuplarea dintre rotor i intrarea ambreiajului se face deregulprin intermediul unei volante, care are rolul de reducere i absorbire aocurilor existente la arborele motorului cu ardere intern. Deoarece rotorulmotorului electric avnd o mas relativ important se fixeaz chiar pearborele cotit, transmiterea cuplului spre transmisie se face continuu, frfluctuaii i ocuri. Se observ c dac ambele motoare funcioneazsimultan, cuplul se nsumeaz automat, fr a fi necesar un dispozitiv dedistribuie sau partajare a cuplului de tip planetar sau diferen ial. MontajulDC planetar cu cele dou ambreiaje bA i fA (cuplaj unisens) are doar

scopul de a transmite cuplul propulsor transmisiei CVT ntr-un sens direct

sau invers fa de cel alMAI.


42/72

42

Fig. Schema bloc cinematica lanului propulsor hibrid paralel cu MAI i ME pe

acelai arbore [Honda]Astfel, dacambreiajul bA este decuplat, cuplajul unisens se blocheaz

automat i cupleaz portplanetara cu pinionul solar, fapt ce permitetransmiterea cuplului MAI nemodificat, la arborele de atac al CVT, aceastacorespunznd regimului D sau L de pe selectorul de viteze. Dac bA este

cuplat, blocnd astfel portplanetara, intrarea fcndu-se pe pinionul solar iieirea spre CVT pe coroana planetar, raportul de transmisie devine

r

s

z

zi = unde sz este numrul de dini ai pinionului solar, iar rz cel al

coroanei planetare. Raportul este subunitar i negativ ceea ce determin o

amplificare a cuplului i o schimbare a sensului de rotaie. Acest mod defuncionare corespunde poziiei R de pe selectorul de viteze (mai corect de


43/72

43

regimuri de rulare). Cnd ambele ambreiaje sunt decuplate, transmisia nueste antrenat, MAI funcioneazn gol corespunztor regimului neutru, Nde pe selectorul de regimuri.

Pentru a mpiedica transmiterea fluxului magnetic de la bobinelestatorului n blocul cilindrilor MAI se poate plasa ntre aceste doucomponente un disc de ecranare prin care s se nchid liniile de cmpmagnetic.

La proiectarea unui lan hibrid trebuie avut n vedere c atunci cndvehiculul se oprete cu MAIla mers n gol (de exemplu la stop) i starea dencrcare a bateriei este corespunztoare, oprirea motorului cu ardere internaduce avantaje privind consumul i randamentul global. Oprirea vehicululuipresupune decuplarea roilor de sursa de propulsie, care s se poat roti ncontinuare dac, spre exemplu, starea bateriei este sub o anumit limit dedescrcare impunndu-se astfel ncrcarea de la generator.

Oprind motorul cu ardere intern, se ntrerupe nsfuncionarea pompeihidraulice care alimenteaz circuitele de comand ale ambreiajelor itransmisiei automate sau CVT, astfel ne mai fiind posibil pregtirea

repornirii MAI. O soluie ar fi ca imediat ce se oprete MAI, ambreiajul(ambreiajele) s fie plasate automat n poziia cuplat, iar cutia de viteze ntrapta cu raport maxim de amplificare a cuplului (similar pornirii n treapta

Ia). Dac acest lucru se ntmpl n timp ce vehiculul nc se mai afl n

micare, forele de la roi se transmit prin cutia de viteze i eventualconvertorul de cuplu, genernd un moment de autontreinere a rotaiei ceeace implic un cuplu suplimentar de la ME i o reducere a eficieneifuncionrii.

Exist i cazul n care vehiculul hibrid ruleaz cu viteze sczute, lasarcini reduse, oprind astfel MAI i folosind propusia pur electric. naceast situaie pompa hidraulic este decuplat, astfel nct pregtireapentru o nourepornire a MAIpresupune cuplarea ambreiajelor i comandaCVT pentru fixarea pe o treapt maxim de transmisie a cuplului, ct ncmai exist presiune n circuitele hidraulice. Dac motorul electric maifuncioneaz, autovehiculul nefiind nc oprit, turaia ME va trebui s fiemritnejustificat de mult.

Plasarea motorului electric pe acelai arbore cu cel al motorului cuardere intern permite o antrenare suplimentar a pompei hidraulice dupoprirea MAI, meninndu-se astfel presiunea n circuite pn la poziionareaambreiajelor i cutiei de vitez continue pe poziiile specifice pornirii. Maimult, se poate amna aceast pregtire a transmisiei pentru momentulpornirii, considernd c MAI va fi antrenat de ME pn la obinereapresiunii hidraulice necesare i apoi pn la pornirea sa. n ambele cazuri,solicitarea bateriei este important, astfel nct se poate lua n considerare isoluia introducerii unei pompe hidraulice secundare antrenate de un alt


44/72

44

motor electric, ambele de dimensiuni i puteri mai reduse comparativ cucele ale corespondentelor primare. Pompa auxiliareste recomandatatuncicnd separarea aciunii MAIi MEnu este posibil, acestea fiind cuplate peun arbore comun.

n structura prezentat mai sus, oprirea MAI nu implic neaprat iimposibilitatea utilizrii forei de propulsie a ME, dupcum rularea n frnde motor cu MAI oprit nu presupune i dezactivarea procesului derecuperare i regenerare a energiei cu ajutorul generatorului. Cuplarea rigidntre cele dou motoare ncarc ns motorul electric sau generatorul cu osarcinsuplimentar(ineria MAIi a accesoriilor antrenate de acesta) ceeace determin un consum suplimentar, respectiv o ncrcar

Documents

Arhitecturi Vehicule Hibride