UNIVERSITATEA POLITEHNIC BUCURETISISTEME DE TRACIUNE HBRID

1. Introduceren prezent, numrul de autovehicule rutiere este din ce n ce mai mare, n mod special n mediul urban, iar cantitatea emisiilor de gaze, care pune n pericol viaa oamenilor i calitile mediului, este n continu cretere. Deocamdat, nu se poate vorbi de reducerea numrului de autovehicule rutiere. Pe de alt parte, se tie c resursele de combustibili fosili sunt limitate i neregenerabile. Pe plan mondial, preocuparea constructorilor de autovehicule pentru reducerea consumului de combustibil i reducerea emisiilor poluante s-a materializat, n ultimul deceniu, prin dezvoltarea de vehicule puin poluante i cu consum redus de combustibil. Din categoria acestora, pe lng cele care utilizeaz gazul natural lichefiat, metanolul sau energia electric, fac parte i vehiculele hibride. Constructorii de autovehicule consider c, n acest sens, una dintre soluiile radicale este schimbarea profund a modului de propulsie al autovehiculelor, prin promovarea sistemelor hibride de propulsie, considerate ca soluii de viitor pentru reducerea substanial a consumului de combustibil i a emisiilor poluante. Sistemele de propulsie care au in componenta lor, pe lng un sistem convenional cu motor cu ardere intern, cel puin nc unul capabil sa furnizeze cuplu de traciune la roile automobilului i care s recupereze o parte din energia cinetic n fazele de decelerare, sunt cunoscute sub denumirea de sisteme hibride regenerative. Pentru redarea energiei recuperate, sistemele de acionare sunt de tipul: hidromecanice (hidrostatice sau hidrodinamice), electromecanice (curent continuu sau alternativ) i mecanice. O concuren deosebit se dezvolt ntre sistemul hibrid termo-electric, care pe lng motorul termic mai are i un sistem electric, i sistemul hibrid termohidraulic care, pe lng motorul termic de acionare mai are si un sistem hidraulic de propulsie.Constructorii de autovehicule au derulat proiecte de amploare, care au vizat realizarea de sisteme i echipamente mecatronice complexe pentru recuperarea energiei cinetice, n fazele de frnare, la autovehicule rutiere i redarea acesteia n fazele de demarare/accelerare, n scopul reducerii substaniale a consumului de combustibil i a polurii mediului. Soluia tehnic de realizare, pe care acetia au ales-o, este aceea a unui sistemul hibrid termohidraulic paralel, care utilizeaz o main hidraulic capabil s funcioneze att n regim de pomp, n faza de frnare, ct i n regim de motor, n faza de accelerare/demarare.ntr-un ciclu de lucru al autovehiculului, format dintr-o perioad de accelerare, una de rulare cu vitez constant i una de decelerare (fig. 1), se constat c puterea necesar, n prima faz, este mult mai mare dect cea necesar rulrii cu vitez constant. Se admite ipoteza c, n faza de frnare, motorul termic funcioneaz la turaia de mers ncet n gol. Prin frnarea automobilului, energia cinetic dobndit prin accelerare se transform n energie caloric n sistemul de frnare i se pierde ireversibil. Se pune problema dac, n faza de frnare, energia cinetic a automobilului nu s-ar putea recupera i stoca n acumulatoare de energie. Datorit faptului c energia poate fi extras din aceste acumulatoare i utilizat din nou, se spune c avem de-a face cu sisteme regenerative de recuperare. n fig. 2 se evideniaz ponderea surprinztor de mare a energiei cinetice disipate pe parcursul unui ciclu urban mediu european, pentru a realiza funcia de oprire sau ncetinire a automobilului. n unele cazuri, aceast pondere ajunge pn spre 50% din energia total, aa cum se poate observa n fig. 2, unde Emot este energia necesar a fi furnizat de motor pentru propulsarea autovehiculului, Edis este energia disipat n timpul decelerrii, iar Emin este energia necesar pentru propulsie n cazul recuperrii totale a energiei disipate. Se poate trage concluzia c se pot realiza aceleai cicluri de deplasare n regim urban cu un motor mai mic de unde i aa-numitul fenomen de downsizing. n prezent, preocuparea constructorilor de autovehicule pentru reducerea consumului de combustibil i reducerea emisiilor poluante s-a materializat n dezvoltarea de vehicule puin poluante i cu consum redus de combustibil. Din categoria acestora, pe lng cele care utilizeaz gazul natural lichefiat, metanolul sau energia electric drept surse de energie, fac parte i vehiculele hibride.

Fig. 1. Ciclul de lucru al autovehiculelor

Fig. 2. Ponderea energiei disipate

Sistemele de propulsie care au n componena lor, pe lng un sistem convenional cu motor cu ardere intern, cel puin nc unul capabil s furnizeze cuplu de traciune la roile automobilului i s recupereze o parte din energia cinetic din fazele de decelerare, sunt cunoscute sub denumirea de sisteme hibride regenerative.n comparaie cu vehiculele electrice, caracterizate printr-o autonomie redus de deplasare, vehiculele hibride au multe avantaje, datorit crora a nceput dezvoltarea lor pe scar din ce n ce mai larg. Un autovehicul echipat cu un sistem hibrid de propulsie realizeaz o economie important de combustibil i reduce poluarea prin recuperarea unei pri importante din energia de frnare.Arhitectura unei transmisii hibride poate fi realizat n dou variante de baz, serie i paralel, dup cum se prezint n fig. 3. La o transmisie hibrid serie, motorul termic nu este conectat mecanic la roile motoare, puterea necesar deplasrii automobilului fiind transmis prin sisteme hidraulice sau electrice. La o transmisie hibrid paralel, se pstreaz legtura mecanic ntre motorul termic i roile motoare, ns, n aceast transmisie, poate fi introdus i energia provenit de la agregatul secundar de antrenare. Principial, schemele celor dou variante, serie i paralel, pot fi urmrite n fig. 3. Trebuie menionat faptul c, la rndul lor, transmisiile hibride paralele se ntlnesc la automobile ntr-o mare diversitate de configuraii. De exemplu, n cazul sistemului hibrid termoelectric serie, motorul cu ardere intern acioneaz un generator electric care, la rndul su, acioneaz un motor electric, iar n cazul sistemului hibrid termo-electric paralel, cele dou motoare pot funciona separat sau n acelai timp pentru a propulsa autovehiculul. Pentru un hibrid termo-electric, cele dou variante pot fi urmrite n fig. 3.

Fig. 3. Tipurile de sisteme hibride serie i paralele

Sistemele hibride de propulsie au, n general, urmtoarea componen: sisteme de convertire a energiei mecanice n alt tip de energie; sisteme de stocare a energiei obinute prin convertirea energiei mecanice; sisteme de utilizare, pentru propulsie, a energiei stocate.Sistemele de convertire a energiei mecanice pot fi: mecanice; mecano-ineriale, mecano-electrice; mecano-hidraulice; mecano-pneumatice. Sistemele de stocare a energiei se pot realiza n mai multe moduri, n funcie de componentele tehnice implicate n acest proces. Principalele tipuri de componente utilizate pentru stocarea energiei recuperate sunt clasificate n fig. 4.

Fig. 4. Tipuri de sisteme de stocare a energiei recuperate

Sistemele de convertirea energiei stocate n energie mecanic, transmis ctre roile motoare la autovehiculelor, se pot realiza utiliznd, de asemenea, mai multe tipuri de sisteme, de diverse naturi, prezentate, schematic, n fig. 5.

Fig. 5. Sisteme de acionare pe baza energiei stocate

2. Apariia i evoluia autovehiculelor hibride Toyota Prius (fig. 6) este primul automobil full hibrid produs n mas. Automobilul se remarc prin utilizarea a dou motoare, unul termic i unul electric, propulsia n mod termic, electric sau combinat fiind setat n funcie de regimul de deplasare.

Fig. 6. Toyota Prius prima generaieNumitTHSsistemul de propulsie de la Toyota poate rula n mod termic (utiliznd motorul cu ardere intern pe ciclu Atkinson), electric sau combinat. Puterea furnizat de fiecare motor (electric sau termic) este atent monitorizat de sistemele electronice de control pentru a plasa punctul de funcionare al acestora n zonele cu randament ridicat.

Fig. 7. Toyota Prius componenteDatorit faptului c Prius poate rula, n anumite condiii de deplasare,exclusiv n mod electricemisiile poluante sunt zero. Acest beneficiu aduce un aport semnificativ mediului din marile aglomerri urbane cu trafic intens. Comparativ cu un automobil ce este echipat cu un motor termic pe benzin, cu aceeai densitate de putere, Prius emite cu aproximativ 40% mai puine grame de CO2 pentru fiecare kilometru parcurs. De asemenea, pe ciclul combinat, consumul de combustibil se situeaz n jurul valorii de 5,1 l/100 km.Prima generaie de Prius, din punct de vedere alemisiilor poluantese situa la nivelul anilor 2005. Automobilul testat dup standardele europene n vigoare emite: 0,63 g/km de monoxid de carbon (CO2), 0,05 g/km de hidrocarburi (HC) i 0,05 g/km de oxizi de azot (NOx).THS Nucleul sistemului de propulsie de pe Prius este reprezentat de THS. Acest sistem integrat conine un motor termic cu randament ridicat de 1,5 litri, un motor electric, un generator electric i un mecanism planetar cu roi dinate. Tot acest sistem, datorit compactitii, poate fi utilizat cu uurin n spaiul ocupat de ctre un motor termic i o transmisie. Mecanismul planetar cu roti dinate are rol decutie de viteze cu variaie continu. Prin varierea turaiei celor 3 elemente componente (roata solar, platoul port-satelii i coroan) se obine o variaie a vitezei de ieire similar cu cea a unuiCVT.

Fig. 8. Mecanism planetar cu roi dinate Toyota Prius CVTMotorul cu ardere interneste conectat la platoul port-satelii al mecanismului planetar. Generatorul electric (MG1) este legat la roata solar, iar motorul electric (MG2) este rigidizat la coroana dinat a mecanismului planetar.Observaie: Cele doua maini electrice MG1 i MG2 pot funciona att n regim demotorct i n regim degenerator. Regimul de funcionare depinde de starea de deplasare a automobilului (vitez redus, acceleraie puternica, frnare, etc.)

Fig. 9. Componentele sistemului THS Toyota Prius

Cuplul de ieire al coroanei este transmis printr-un lan la un mecanism reductor cu angrenare simpl i apoi la diferenial unde este amplificat. Mecanismul planetar cu roti dinate este numit iPSD(Power Split Device) deoarece se comport ca un dispozitiv de divizare a puterii. Avantajele acestui sistem mecanic compus din mecanismul planetar, angrenaj simplu i diferenial este reprezentat de fiabilitate i robustee. Toate componentele au poziii fixe, una n raport cu cealalt, micarea fiind doar de rotaie, n jurul axelor. Astfel se elimin posibilele defecte i probleme ce pot aprea n cazul utilizrii unei cutii CVT clasice sau a uneia automate.Motorul termic Propulsorul principal al automobilului este motorul cu ardere intern 1NZ-FXE, cu ciclu Atkinson, de 1,5 litri, cu patru cilindrii n linie. Acesta este prevzut cu distribuie variabil inteligent VVT-i i dezvolt o putere de 72 CP la 4500 rot/min i un cuplu de 115 Nm la 4200 rot/min.

Fig. 10. Caracteristica de cuplu i de putere a motorului termic 1NZ-FXESistemul inteligent de distribuie permite variaia continu a fazelor supapelor de admisie n funcie de regimul de funcionare al motorului, ceea ce confer motorului performane dinamice remarcabile i un consum sczut de combustibil. Limitarea turaiei maxime a motorului la4500 rot/minpermite utilizarea materialelor uoare pentru componente, mbuntete randamentul termic i reduce pierderile prin frecare. Pentru reducerea greutii automobilului blocul motor i chiulasa s-au fabricat din aliaj de aluminiu iar galeria de evacuare din oel inoxidabil. Posibilitatea de a utiliza MG1 pe post de demaror/alternator iar MG2 ca generator n regim de frnare a permis o reducere n plus a masei totale a motorului prin eliminarea alternatorului i a demarorului clasic. Controlul mbogirii amestecului aer-carburant se realizeaz prin intermediul unei clapete obturatoare controlat electronic. Pentru reducerea emisiilor poluante sistemul de alimentare cu combustibil este etan iar gazele de evacuare sunt tratate de unconvertor catalitic pe trei ci(TWC).MG1 (Generatorul)Maina electric MG1 are trei funcii:

Generator de curent electric n acest caz este antrenat de motorul termic i produce energie electric ce este utilizat pentru alimentarea motorului de traciune MG2 sau pentru ncrcarea bateriilor.

Starter/demaror este utilizat la pornirea motorului termic.

Motor electric este utilizat ca variator de turaie pentru mecanismul planetar; prin modificarea turaiei roii solare se variaz turaia coroanei mecanismului planetar deci viteza automobilului.MG2 (Motorul electric) Motorul electric de traciunendeplinete mai multe funcii: propulseaz automobilul n domeniul vitezelor i a sarcinilor reduse, asist motorul termic la traciune cnd acesta funcioneaz n domeniul sarcinilor medii i mari, produce energie electric cnd automobilul se afla n regim de frnare.

Motor electric utilizat pentru deplasarea nainte i napoi a automobilului.

Generator electric utilizat n regimul de frnare a automobilului. Motorul electric de curent alternativ produce o putere maxima constanta de 45 CP ntre 1040 i 5600 rot/min. Prin intermediul mecanismului planetar, a reductorului simplu i a diferenialului, motorul este conectat tot timpul la rotile punii fa. Cuplul maxim de 350 Nm este furnizat la turaii joase (aproximativ 400 rot/min) ceea ce-i permite automobilului s demareze i s fie propulsat exclusiv n mod electric.Mersul napoi al automobilului este asigurat tot de motorul electric prin inversarea sensului de rotaie al acestuia. Selectarea modului de mers napoi se face acionnd un levier de mici dimensiuni aflat n vecintatea volanului.Cutia automat cu variaie continu Practic cutia de viteze este format din lanul metalic, mecanismul planetar i reductorul fix. Controlul electronic al puterii celor trei motoare/generatoare (MG1, MG2 i motorul termic) permite varierea turaiei de ieire din transmisie deci implicit a vitezei automobilului. Contactul permanent al elementelor transmisiei cu roile motoare deci lipsa unui ambreiaj sau a unui convertizor de cuplu a permis obinerea de acceleraiilor line, fr ocuri i mbuntirea timpului de rspuns la apsarea pedalei de acceleraie. Transmisia este controlat prin intermediul unui levier de selecie montat pe coloana de direcie ce cuprinde urmtoarele stri/programe:

Fig. 11. Toyota Prius poziiile levierului selector de programe (P Parcare/Park, R Mers napoi/Reverse,N Neutru/Neutral, D Condus/Drive i B ncetinire/Braking)

n poziia B motorul termic este pornit i utilizat n regim de frnare pentru ncetinirea automobilului la coborrea unor pante lungi (funcie similar cu a unui retarder de pe autocare).Bateriile Bateriile sunt de tipul nichel hidrur metalic (Ni-MH), conin 38 de module individuale ce nsumat produc 274 V. Pachetul de baterii este montat pe puntea din spate, dup scaunele pasagerilor. Aceast amplasarea permite utilizarea optim a spaiului din interiorul automobilului pentru sporirea confortului pasagerilor.Datorita tensiunilor i a curenilor mari este interzis intervenia persoanelor neautorizate asupra bateriilor. Bateriile nu se repara iar intervenia se poate realiza numai de ctre personalul Toyota specializat n acest sens. Pentru a proteja ocupanii automobilului de o eventual electrocutare bateria este izolat, n cazul unui accident sau defeciune, de restul automobilului prin intermediul unui releu de siguran.Invertorul AC-DC Rolul invertorului este de a transforma curentul continuu (CC) produs de baterie n curent alternativ (CA) necesar pentru alimentarea mainilor electrice. De asemenea transform din CA n CC, pentru rencrcarea bateriilor, energia electric produs de una din cele doua maini electrice.

Fig. 12. InvertorInvertorului mai conine i un convertor de CC pentru transformarea tensiunii de 274 V n tensiune de 12 V necesar pentru alimentarea echipamentelor auxiliare ale automobilului (iluminare, sistem audio, aer condiionat, etc.)Regimurile de funcionare Modul de funcionare a grupului moto-propulsor (propulsie electric sau hibrid) sau regimul de funcionare al mainilor electrice (motor sau generator) poate fi exemplificat prin dependenta turaiilor elementelor mecanismului planetar (solar, platou satelii i coroan).Modul contact Acest mod corespunde cu poziia contact a unui automobil clasic, cu motor termic. n acest mod viteza automobilului este nul dar sistemul electric este armat, bateria este conectat, prin intermediul releului de siguran, la invertor.

Fig. 13. Toyota Prius Mod contact

Demarajul automobilului (mod electric) Dup punerea contactului, dac conductorul auto apas pedala de acceleraie, automobilul ncepe s se deplaseze fiind propulsat de MG2 care funcioneaz n regim de motor electric. n acest mod MG1 se va roti n sensul opus de rotaie al MG1 deoarece motorul termic, fiind oprit, va imobiliza platoul sateliilor din mecanismul planetar.

Fig. 14. Toyota Prius mod electricPornirea motorului termicn modul de propulsie electric dac viteza automobilului depete o anumit limit (aprox. 50 km/h) motorul termic este pornit utiliznd MG1. Invertorul va alimenta MG1 care funcioneaz n regim de motor. Sensul de rotaie al lui MG1 i MG2 va fi acelai, ceea ce va antrena motorul termic.

Fig. 15. Toyota Prius demaraj motor termic

Acceleraie uoarDup pornirea motorului termic dac conductorul dorete o acceleraie uoar automobilului, motorul termic i va mri turaia peste valoarea lui MG2. n acest caz MG1 va fi antrenat fiind n regim de generator electric. Energia electric produs de MG1 este utilizat pentru MG2.

Fig. 16. Toyota Prius acceleraie uoar

Deplasare cu viteza constanta medien acest mod de funcionare automobilul este propulsat hibrid, cu motorul termic i cel electric MG2. Generatorul MG1 produce energie electric pentru alimentarea MG2.

Fig. 17. Toyota Prius deplasare cu vitez constant medie

Acceleraie puternicn cazul n care se dorete o acceleraie puternic a automobilului, turaia motorului termic crete. Automobilul este propulsat n mod hibrid (electric i termic). MG1 va produce energie electrica pentru a alimenta MG2. n plus, pentru a obine un cuplu maxim din MG2 bateria va furniza suplimentar energia electric necesar.

Fig. 18. Toyota Prius acceleraie puternic

Deplasare cu vitez constant marePentru o anumit turaie a motorului termic, pentru a putea mri turaia lui MG2, MG1 va fi blocat (turaie zero). n acest regim de deplasare, automobilul este propulsat n mod hibrid, MG2 fiind alimentat cu energie electric de la baterii.

Fig. 19. Toyota Prius deplasare cu vitez constant mare

Vitez maximPentru aceeai turaie a motorului termic, MG2 va avea o turaie mai mare dac MG1 este n regim de motor i rotit n sens invers. Automobilul este propulsat hibrid (electric + termic), bateria alimentnd cu energie electric att motorul electric MG2 ct i MG1.

Fig. 20. Toyota Prius deplasare cu viteza maxim

Frnare recuperativCnd conductorul auto acioneaz pedala de frn, cu scopul de a reduce viteza automobilului, motorul termic este oprit. n acest mod MG2 va funciona n regim de generator electric, fiind antrenat de rotile automobilului (frn de motor). Energia produsa de MG2 este utilizat pentru ncrcarea bateriilor. MG1 nu va fi alimentat, i se va roti n sens invers fa de MG2 datorit turaiei zero a motorului termic.

Fig. 21. Toyota Prius frnare cu recuperare de energie

Atentie! Frnarea utiliznd MG2 n regim de generator nu nlocuiete sistemul de frnare hidraulic, clasic. n cazul n care conductorul auto dorete o frnare puternic sistemul hidraulic intervine precum la un automobil convenional. Pentru a determina intensitatea frnrii deci implicit necesitatea activrii sistemului hidraulic, calculatorul sistemului de frnare utilizeaz informaia provenita de la un senzor de poziie montat pe pedala de frn. Poziia pedalei de frn se traduce n fora necesar de frnare care decide momentul activriisistemului de frnare hidraulic, clasic.Mersul napoi n acest mod automobilul este propulsat n mod exclusiv electric, MG2 fiind n regim de motor electric dar cu sens de rotaie opus fa de modul Drive. Motorul termic este oprit iar MG1 se va roti liber. Energia electric pentru MG2 este furnizat de baterie.

Fig. 22. Toyota Prius mers napoi

Sistemul THS se face remarcat datorit modului simplu i eficient prin care se utilizeaz doua maini electrice i un motor termic pentru propulsarea unui automobil n vederea minimizrii consumului de combustibil, pstrnd n acelai timp performanele dinamice ale automobilului la un nivel acceptabil.Optimizarea acestui sistem a fost continu, urmtoarele generaii de Toyota Prius fiind mai avansate din punct de vedere al performanelor.

BIBLIOGRAFIE:http://www.amsonline.ro/mitsubishi-outlander-phev-primul-test/http://www.agir.rohttp://www.e-automobile.ro/categorie-automobile/24-hibride/4-prius-1-automobile-hibride.htmlhttp://www.e-automobile.ro

2 din 15