1.Propulsia hibridă a autovehiculelor 1.1. Istoria autovehiculului hibrid 1.1.1. Ce este un sistem hibrid? Un vehicul hibrid este un vehicul… [302417]

1.Propulsia hibridă a autovehiculelor

1.1. Istoria autovehiculului hibrid

1.1.1. Ce este un sistem hibrid?

Un vehicul hibrid este un vehicul alimentat de un sistem hibrid de propulsie. O caracteristică distinctivă a centralei hibride este utilizarea a două sau mai multe surse de energie și a motoarelor corespunzătoare care convertesc energia în lucru mecanic. Unele surse de informații utilizează termenul "motor hibrid", care este din punct de vedere tehnic incorect.

În ciuda diversității surselor de energie (energia termică a [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat].) pe o [anonimizat] o combinație a unui motor cu ardere internă și a unui motor electric.

Principalul avantaj al unei mașini hibride este o reducere semnificativă a consumului de combustibil și a [anonimizat]:

munca coordonată a motorului cu ardere internă și a motorului electric;

utilizarea bateriilor de mare capacitate;

[anonimizat]-[anonimizat] a mișcării în energie electrică.

[anonimizat], [anonimizat]: un sistem de schimbare a timpului de supapă; [anonimizat]; sistemul de recirculare a gazelor de eșapament; sistem de încălzire a lichidului de răcire cu gaze de evacuare; aerodinamica imbunatatita; dispozitive electrice auxiliare ([anonimizat], servodirecție etc.); anvelope cu rezistență redusă la rulare.

[anonimizat], funcționând în modul inactiv. Atunci când conduceți la o viteză constantă ridicată (ciclu suplimentar), hibrizii nu sunt la fel de eficienți.

Fig 1.1: Vedere de ansamblu motor cu ardere interna și motor electric

Vehiculul hibrid este acel vehicul care utilizeaza două tipuri diferite de combustibil petru a fi propulsat. Termenul de vehicul hibrid e [anonimizat].

Un vehicul hibrid electric este un vehicul care combina un în el sistemul de propulsie convențional cu un sistem de stocare a energiei electrice recuperabile pentru a [anonimizat].

[anonimizat], iar unele vehicule folosesc motorul cu ardere interna pentru a crea electricitate prin antrenarea unui generator electric (de obicei chiar motorul electric folosit pentru propulsie) pentru a reîncărca bateriile sau pentru a antrena direct un motor electric care antrenează vehiculul. Multe vehicule reduc gazele de emisie din timpul staționarii prin oprirea motorului cu ardere interna când acesta funcționează la relanți si repornirea lui când este acționat ambreiajul (sistemul „start – stop”). De obicei motoarele cu ardere internă a vehiculelor hibride sunt mai mici decât cele de pe vehiculele convenționale dar in combinație cu motoarele electrice dau un randament mai bun.

Autovehiculele hibride au fost făcute cunoscute publicului in anii 1990 prin modelele Honda Insight si Toyota Prius, si sunt văzute de mulți producători ca tehnologiile viitorului pe piața auto. Piața globală a mașinilor electrificate (hibrid, plug-in hybrid și 100% electric) a crescut consistent în primul trimestru al anului. La nivel mondial, în primele trei luni din 2018 s-au vândut 1.09 milioane de vehicule electrice, hibrid și plug-in hybrid, cu 21% mai mult comparativ cu aceeași perioadă a anului trecut.

Pe piața din Japonia au fost înregistrate cele mai mari vânzări: 441.000 de autoturisme electrificate au ajuns în Țara Soarelui Răsare. Pe poziția secundă a clasamentului se află China cu 174.200 de unități, în creștere cu 137% față de primul trimestru din 2017. Pe ultima treaptă a podiumului se află SUA cu circa 128.000 de mașini electrificate vândute în primele trei luni din 2018. Surpriza mare vine din India (locul al patrulea), unde au fost înregistrate vânzări de 40.287 de unități.

Mașinile cu sistem hibrid de propulsie au fost cele mai căutate. 66% din totalul vânzărilor de mașini electrificate din primul trimestru au fost vehicule hibride. Cele mai importante creșteri sunt consemnate în China (84%) și India (58%).

Toyota a vândut 338.436 de unități, Suzuki a reușit să comercializeze 143.429 de exemplare, iar Honda a livrat 72.333 de mașini cu sistem hibrid de propulsie.

1.1.2. Date istorice privind construcția autovehiculului hibrid

Inventarea automobilelor hibride (Vehicle Hybrid Electric, HEV) a fost unul dintre pașii producătorilor de automobile și a servit la implementarea a două strategii – economia de combustibil și satisfacerea cererii crescânde de mașini mai puțin poluante. Operarea cu vehicule pe benzină sau diesel creează o problemă ridicată a prețului combustibilului pentru clienți, iar pentru vehiculele electrice (vehicule electrice, EV) sunt necesare investiții inițiale mari cît pentru producători atît și pentru consumatori.

În această situație, producătorii de automobile au inventat mașini hibride care rulează pe benzină și pe electricitate (un motor electric).

Cu câțiva ani în urmă, majoritatea oamenilor credeau că o mașină electrică ecologică ar înlocui în cele din urmă autoturismele cu motoare cu ardere internă și astfel toate problemele noastre legate de emisiile de gaze de eșapament și de riscul de dispariție a combustibililor lichizi ar fi rezolvate.

Constructorii de autoturisme și-au imaginat că vor primi energie de la baterii care ar fi reîncărcate de fiecare dată când au fost epuizate.

A fost un punct de vedere simplu care a ignorat un factor: energia pentru reîncărcare trebuie să fie obținută de la o anumită centrală electrică și, dacă arde combustibil solid, cel mai bun lucru care se poate întâmpla este că poluarea poate fi transmisă din locul unde conduc autoturismele la locul unde se află centrala electrică.

La sfârșitul anilor '90, câțiva dintre cei mai cunoscuți producători de automobile de renume mondial au făcut unele eforturi pentru a organiza piața automobilelor electrice auto din California. Acum este clar că aceste eforturi au eșuat, parțial din cauza rezervei reduse de energie a tuturor bateriilor de vehicule electrice, dar mai ales pentru că bateriile în sine erau foarte costisitoare de fabricat și aveau prea puține resurse.

Unii cercetători au pus la îndoială și îmbunătățirea mediului în cazul în care majoritatea vehiculelor din lume sunt electrice, deoarece producția (și reciclarea) bateriilor implică utilizarea multor metale neprietenoase sau chiar care pot polua mediul înconjurător, cum ar fi plumbul și cadmiul.

Înseamnă asta oare sfârșitul visului unei mașini electrice? În nici un caz. Acest lucru nu înseamnă nici măcar sfârșitul vehiculelor electrice alimentate de baterii, deși se pare că probabil vor fi create numai pentru sarcini speciale, cum ar fi organizarea de livrări comerciale în centrele urbane. Ar fi mai corect să considerăm o mașină electrică ca cea a cărei roți sunt antrenate de energie electrică și apoi să împărțim aceste vehicule în trei tipuri, dintre care primul este un vehicul simplu cu baterii electrice.

Prima alternativă este o mașină în care motorul cu ardere internă acționează un generator, care, la rândul său, produce energie electrică pentru a conduce roțile. Acesta este un vehicul electric "hibrid" sau HEV (vehicul electric hibrid). În cele din urmă, există un vehicul, probabil cu cel mai strălucit viitor, pe termen lung, în care electricitatea este furnizată de motorul cu ardere internă.

Este foarte probabil ca, în următoarea jumătătate de secol, autovehiculele cu combustibil să devină treptat tipul standard al mașinilor de pasageri, iar mașinile hibride vor contribui la ușurarea perioadei de tranziție. Motorul cu ardere internă va deveni, în cele din urmă vechi și nefolositor ca de exemplu cum a fost motorul unei locomotive cu aburi.

Pentru a reprezenta mai clar acest viitor, evident că trebuie să privim mai detaliat automobilele cu combustie hibridă și cu combustibil, dar mai întâi trebuie să ne gândim la baterii și la alternativele posibile, chiar dacă bateriile au doar un viitor limitat.

În 1901, Ferdinand Porsche a proiectat vehiculul hibrid numit „Mixte” (Fig. 1.2). Mixte a doborât numeroase recorduri de viteza, si a câștigat raliul „Excelberg” in 1901, condusă de Ferdinand Porsche. Mixte folosește un motor cu aprindere prin scânteie care antrenează un generator, care la rândul său antrenează motoarele electrice poziționate in rotile vedicului. Avea si un mic pachet de baterii pentru susținere. A atins o viteza de 50 km/h si o putere de 5.22 kW.

In 1905, H. Piper a aplicat pentru un patent US pentru vehicule hibride.

In 1915, producătorul de vehicule electrice Woods Motor Vehicle a realizat vehiculul „Dual Power” , cu un MAI si un motor electric. La viteze mai mici de 25 km/h, vehiculul era antrenat numai de un motor electric acționat de un pachet de baterii, iar la viteze de peste 25 km/h intra in funcțiune motorul cu ardere internă care propulsa vehiculul cu o viteza de pana la 55 km/h. Până in 1918 au fost vândute aproximativ 600 de astfel de vehicule.

Fig. 1.2: Vehiculul „Mixte”

In 1931, Erich Gaichen a inventat un vehicul a cărui caracteristici au fost folosite mai târziu in proiectare de vehicule hibride. Bateriile vehiculului erau încărcate de motorul electric când mașina cobora pante. Puterea adiționala pentru încărcarea bateriilor era produsa de un cilindru cu aer comprimat care era reîncărcat de pompe mici de aer activate de vibrațiile șasiului si de frâne.

Sistemul de frânare regenerativa, conceptul cheie a majoritatea producătorilor de hibride, a fost dezvoltat de David Arthur in anii 1978 pe un Opel GT.

In 1989, Audi a produs primul vehicul hibrid prin vehiculul experimental Audi Duo. Acest vehicul avea un motor electric Siemens de 12,6 kW care acționa rotile din spate ale vehiculului.

Un pachet de baterii Nichel-Cadmiu era amplasat in portbagaj pentru acționarea motorului electric. Rotile din fata erau acționate de un motor de 2300 cm3 in 5 cilindrii care dezvolta o putere de 136 CP. Ideea era de a produce un vehicul care sa circule propulsat numai de motorul electric in interiorul orașelor, si de mototul cu ardere internă în exteriorul acestora. Modul de operare putea fi ales de conducător. Doar 10 de astfel de vehicule au fost create, deoarece mașina era mult îngreunata de sistemul electric. Vehiculele erau mult mai puțin eficiente când erau propulsate de motorul cu combustie decât modele standard Audi 100 echipate cu același motor.

1.2. Propulsia hibridă soluție pentru reducerea poluării

Urbanizarea este un proces continuu, dinamic, care are loc permanent pe glob. Urbanizarea a apărut prin concentrarea unei populații pe un loc geografic și s-a extins prin procese de migrare, sporul natural al populației și prin transformarea unor zone rurale în orașe. Astăzi, zonele urbane sunt zone complexe: rezidențiale, industriale, culturale, administrative, științifice, de învățământ, comerț, având complexe căi de comunicație interne și cu exteriorul.

Calitatea atmosferei este considerată activitatea cea mai importantă în cadrul rețelei de monitorizare a factorilor de mediu, atmosfera fiind cel mai imprevizibil vector de propagare a poluanților, efectele făcându-se resimțite atât de către om cât și de către celelalte componente ale mediului.

Poluarea aerului este una dintre cele mai grave probleme, întrucât poate avea efecte atât pe termen scurt, dar mai ales pe termen mediu și lung. Substanțele emise în atmosferă constituie cauza unor probleme de mediu actuale, incluzând: acidiierea, precipitațiile (depunerile) acide, efectul de seră, distrugerea stratului de ozon etc.

La nivel european, autovehiculele și în special autoturismele sunt principala sursă de poluare a aerului în zonele urbane. Sectorul transporturi este responsabil pentru 63% din emisiile de NOx, 47% din emisiile de compuși organici volatili, precum benzenul, 10-25% din pulberi și 6,5% din emisiile de SO2 în mediul rural – valorile fiind mai mari în zonele urbane.

La nivelul capitalei, de exemplu, se observă foarte clar cum marile artere de circulație sunt, cel puțin în orele de vârf, foarte aglomerate, pe ele înregistrându-se un număr foarte mare de autovehicule. Bineînțeles că un număr mare de mijloace de transport motorizate înseamnă și o importantă sursa de poluare.

Cozile interminabile ce se formează în intersecții determină, la nivelul motoarelor (diesel sau pe injecție), arderi incomplete de carburant în urma cărora rezultă peste 150 de compuși chimici poluatori.

Controlarea gradului de poluare pe străzile de timp canion se realizează, așa cum rezultă în urma figurii 2.1 , în spațiul cuprins între 1,5-3,5m – distanță față de sol, minimum 4m în diagonală spre marginea drumului de la mijlocul celei mai apropiate coloane de trai c și cel puțin un metru față de peretele clădirii care flanchează artera. Aerul de la acest nivel este cel mai utilizat de către pietoni și localnici.

Fig. 1.24: Distribuția poluanților în zona canioanelor urbane

Teoretic arderea combustibililor în motoarele autovehiculelor determină evacuarea în atmosferă a vaporilor de apă (13%), a dioxidului de carbon (13%) și a azotului (74%) .

Din punct de vedere practic, arderea incompletă generează în plus monoxid de carbon, oxizi de azot, hidrocarburi, produși oxidanți, oxizi de sulf, particule.

O tonă de benzină arsă într-un motor bine reglat produce:

cca. 2600 kg bioxid de carbon și 450 kg apa,

50 kg monoxid de carbon, 23 kg hidrocarburi nearse,

16 kg oxizi ai azotului, 2 kg oxizi ai sulfului,

1 kg aldehide, dacă benzina este etilată,

0,4 kg compuși ai plumbului

O parte din emisii ajung în atmosferă sub forma de aerosoli:

funingine;

săruri de plumb;

vapori de hidrocarburi.

Aerosolii determină modificarea climei astfel :

mențin o temperatură mai înalta în oraș;

reduc umiditatea relativă cu 2-8%;

determină formarea mai frecventă a norilor deasupra orașelor mărind cantitatea de precipitații cu 5-10% și numărul de zile cețoase iarna cu 30-100%;

modifică balanța radiației solare, reduc vizibilitatea.

La acestea se adaugă și poluarea provenită de la stațiile de benzină. Odată cu alimentarea stațiilor cu carburanți are loc evacuarea în atmosferă de COV și de plumb (ca tetraetil de plumb) conținut în benzină, acesta regăsindu-se în structura COV în aproximativ aceeași proporție ca și carburantul în fază lichidă. Sursele aferente unei stații de distribuție a benzinei sunt surse necontrolate, adică aerul impurii cat nu este preluat și evacuat printr-un sistem de exhaustare. Cel mai reprezentativ poluant generat de traficul auto este monoxidul de carbon (CO), unde se remarcă depășiri ale pragurilor maxime admise de 300-400% .

Traficul rutier contribuie in proporție de 90% în ceea ce privește poluarea orașelor cu CO.

În ceea ce privește emisiile de dioxid de azot (NO2), traficul rutier contribuie cu o pondere de circa 45%, în timp ce utilitățile de producere a energiei electrice si termice participă cu 48.41%.

Vara, la temperaturi ridicate, hidrocarburile si oxidul de azot sunt degradate de razele ultraviolete. Oxizii de sulf (dioxidul și trioxidul de sulf) rezultă în principal din arderea combustibililor fosili în surse staționare și mobile. Acesta este transportat la distanțe mari datorită faptului că se fixează ușor pe particulele de praf. În atmosferă, în reacție cu vaporii de apă formează acid sulfuric sau sulfuros, care conferă caracterul acid al ploilor.

Fig. 1.25: Arderea completa a carburantului

Fig. 1.26: Arderea incompleta a carburantului

Multe din sistemele de management al traficului au fost proiectate și utilizate pentru îmbunătățirea siguranței circulației și congestionării, efectelor în emisiile vehiculelor sunt recepționate cu mare atenție. Oricum, puține din evaluările minuțioase pentru acest aspect au fost conduse. Îmbunătățirile sunt necesare pentru toate modelele care conțin operații pentru vehicule și pentru modelele de emisie pentru a crește precizia pe care ele o vor asupra efectelor de management asupra traficului.

Marile cantități de informații pot fi recepționate și prelucrate, având în vedere proiectarea unor structuri de management pentru informații, cu capacitatea pentru achiziția datelor și transmisia în timp real. Acestea includ:

acordul pentru monitorizarea mediului;

identificarea poluanților;

managementul efectiv pentru menținerea vehiculelor;

bilanțul mediului înconjurător, inclusiv dispoziția de panouri pentru redarea informațiilor despre poluare în timp real;

dezvoltării de măsurători anti-poluare.

1.2.1. Reducerea emisiilor de gaze prin intermediul propulsiilor hibride

Solutia cu efecte radicale asupra reducerii emisiilor de gaze, concomitent cu diminuarea consumului de combustibil, o reprezintă schimbarea profundă a sistemelor termice, clasice, de propulsie cu sisteme hibride de propulsie a autovehiculelor urbane, considerate de constructorii de autovehicule ca soluții de viitor.

În prezent, numărul de autovehicule rutiere este din ce în ce mai mare, în mod special în mediul urban, iar cantitatea emisiilor de gaze, care pune în pericol viața oamenilor și calitățile mediului, este în continuă creștere. Deocamdată, nu se poate vorbi de reducerea numărului de autovehicule rutiere. Pe de altă parte, se știe că resursele de combustibili fosili sunt limitate și neregenerabile și că, în acest secol, ele se vor epuiza.

Pe plan mondial, preocuparea constructorilor de autovehicule pentru reducerea consumului de combustibil și reducerea emisiilor poluante s-a materializat, in ultimul deceniu, prin dezvoltarea de vehicule puțin poluante și cu consum redus de combustibil . Din categoria acestora, pe lângă cele care utilizează gazul natural lichefiat, metanolul sau energia electrică, fac parte și vehiculele hibride.

Autovehiculele hibrid reușesc să reducă consumul de combustibil clasic prin utilizarea energiei electrice pe care o produc în mers. Deși consumul este mai mic, la baza propulsării mașinilor hibride este tot un combustibil fosil – resursă neregenerabilă care se epuizează. În cazul hibridelor plug-in, care își încarcă bateriile și de la priză, poluarea ar putea veni și de la curentul electric necesar alimentării. Dar chiar și dacă energia electrică este produsă dintr-o sursă regenerabilă (hidro,solar,eolian etc), în cazul mașinilor hibride, rămâne problema utilizării combustibililor fosili.

Din această perspectivă, sistemul hibrid integral de la Toyota, Hybrid Synergy Drive, reprezintă soluția ideală. Este un sistem de propulsie revoluționar, care reușește un aparent paradox: să ofere o eficiență maximă în exploatare (consum redus de combustibil, emisii reduse – atât CO2, dar, spre deosebire de Diesel, și NOx și particule PM), în condițiile unor performanțe dinamice de excepție. În plus, mașinile oferă un confort sporit prin gradul înalt de silențiozitate, dar și prin nivelul superior de echipare.

Fig. 1.27: Tehnologia Hybrid Synergy Drive de la Toyota

Motoarele pe benzina sunt ineficiente si consuma mult petrol care trebuie importat si care se adaugă la energia folosita. Mașinile hibrid si cele electrice sunt realizate pentru a folosi mai putina energie decât motoarele tradiționale , pe benzina. Modelul anului 2010, Toyota Prius, este cel mai eficient cu pana la 21,68 kilometri per litru. Apariția unor noi tehnologii, precum hibridul ce se încarcă electric, are drept scop consumul si mai mic de benzina.

Mașinile reprezintă sursa majora de dioxid de carbon si de alte emisii. Hibridul electric este de fapt, o mașină electrica care nu produce emisii de gaze poluante. Arderea combustibililor eliberează dioxid de carbon si azot. Tehnologia auto se îndreaptă spre combustibilul cu hidrogen sau spre electricitate pentru a reduce emisiile toxice.

Toate emisiile reglementate sunt semnificativ reduse la un automobil hibrid (benzină), în comparație cu un vehicul convențional pe benzină. Acestea includ reduceri a monoxidului de carbon, a hidrocarburilor și NOx de la 70% la 90%.

Cei mai mulți hibrizi reduc efectul de seră cu cel puțin 25%, comparativ cu un motor echivalent pe benzină. De exemplu, noul Toyota Prius emite doar 89 g/km de CO2 – având un nivel al emisiilor de NOx și de particule cu peste un sfert mai puțin decât cele pentru o mașină medie pe benzină, din aceeași clasă. Chiar dacă emisiile de NOx și particule sunt neglijabile, atunci când se utilizează mașina, ele sunt mai mari în timpul procesului de fabricație – chiar și așa, uzinele producătoare de automobile tind să fie amplasate cât mai departe de orașe.

Spre deosebire de alte mașini verzi, viitorul hibrizilor nu este amenințat de consumul redus și de îmbunătățirea performanței emisiilor viitoarelor mașini, cu motoare convenționale. Acest lucru se datorează faptului că un motor hibrid va depăși întotdeauna un motor non-hibrid. Al doilea motiv și cel mai important, este că toate motoarele convenționale vor trebui să fie hibridizate, dacă vor intra în vigoare norme mai stricte de poluare a aerului. Cu alte cuvinte, viitoarele mașini convenționale și hibride ar putea fi una și aceeași.

Tehnologia auto avansata poate folosi o multitudine de surse de carburant. Hibridul electric, vehiculele pe diferiți combustibili si cele care funcționează pe baza de hidrogen sau bio-diesel pot reduce dependenta de surse străine de petrol. Acest lucru oferă șanse noi pentru antreprenorii interni de energie.

1.2.2. Stadiul actual și tendințe

Încălzirea globală, epuizarea resurselor minerale și poluarea în aglomerațiile urbane constituie probleme care trebuie soluționate în noul secol, impunându-se, totodată, noi standarde pentru sistemele de propulsie ale automobilelor. Prin reducerea consumului de combustibil la automobile se realizează, în aceeași măsură, reducerea emisiei de CO2 ca element important al efectului de seră. Constructorii europeni de automobile, grupați în ACEA (European Automobile Manufacturers' Association – Asociația Europeana a constructorilor de automobile), au acceptat o reducere cu 25 % a emisiei de CO2 până în 2008, față de nivelul din 1990, adică până la 140 g/km. Acestuia îi corespunde un consum de benzină de 5,8l/100 km și de 5,2 1/100 km de motorină, în ciclul european de testare (NEDC – New European Driving Cycle).

Până în anul 2012 urmează să se mai facă un pas și nivelul să fie redus până la 120 g/km de CO2, acestuia corespunzându-i un consum de benzină de 51/100 km și 4,51/100 km de motorină [3]. În același timp, posesorii de automobile pretind siguranță și confort mai mari, cu toate că îndeplinirea acestor cerințe implică masă mai mare și cu aceasta consum de combustibil crescut. În plus, se pretind performanțe dinamice mai mari fără creșteri suplimentare de preț.

Este foarte important să se precizeze faptul că nu este suficient că un motor cu ardere internă poate funcționa pe stand, la anumite regimuri, cu consum de combustibil și poluare reduse, ci ar fi de dorit ca acesta să poată funcționa pe automobil la regimurile economice, indiferent de viteza de deplasare. Se apreciază că funcționarea eficientă a motorului cu ardere internă pe automobil ar fi posibilă numai dacă automobilul ar fi prevăzut și cu un sistem electric de propulsie, care să furnizeze puterea necesara la roată, pe intervale scurte de timp, la deplasarea în zonele aglomerate sau în orașe. Într-o astfel de configurație (motor cu ardere internă, transmisie adaptivă, generator/motor electric) motorul cu ardere internă ar funcționa numai la regimul economic, sau în preajma acestuia, iar în rest ar fi oprit sau ar funcționa la ralanti.

Fig. 1.28: Arhitecturile fundamentale ale sistemelor de propulsie hibride pentru autovehicule

Automobilele viitorului trebuie să se îndrepte atât spre ramura ce vizează protecția mediului cît și pentru a asigura o protecție mare pasagerilor, în timp ce performanțele ce țin de motor și timp de accelerare să fie la un nivel ridicat. Pentru a obține performanțe superioare modul în care este conceput un vehicul este următorul: împins către ideea de mărire a puterii și cuplului prin mărirea cilindreei motorului sau prin supraalimentarea acestuia, totodată acest mod de a aborda, a condus către un consum de combustibil precum și o poluare din ce în ce mai accentuată a mediului înconjurător.

În alte cuvinte puterea și consumul de combustibil sunt direct proporționale. Prin folosirea sistemelor hibride această relație între cele două valori poate fi dusă chiar în domeniul unei inverse proporționalități. Prin definiție scopul sistemelor hibride este acela de a realiza vehicule cu puteri considerabile în timp ce consumul de combustibil scade iar mediul înconjurător este protejat cît mai bine posibil.

Vehiculele hibride serie-paralel conțin în structura fluxului de putere un mecanism ce împarte puterea în două părți.

Pe o cale puterea de la motorul cu ardere internă este transmisă direct la roți iar pe cealaltă cale (cea electrica) puterea de la motor este convertită în curent electric de un generator care acționează un motor electric care încărca bateria. Această configurație unică asigură oprirea motorului cu ardere internă în timp ce vehiculul rulează, iar continuarea rulării acestuia fără motor este asigurată de motorul electric fără folosirea unui ambreiaj. Pentru obținerea unor performanțe mai mari, la aceste sisteme hibride se folosește o unitate electrică de management al puterii furnizate de cele două surse.

Modelele hibride folosesc un circuit electric de voltaj ridicat între un motor și un generator pentru a reduce pierderile de energie. Vehiculul hibrid încearcă să folosească cît mai mult puterea furnizată de motorul electric în condiții când motorul clasic cu ardere internă nu face față condițiilor impuse de trafic. În aceste situații motorul cu ardere internă este oprit, vehiculul funcționând cu putere electrică.

Aceste vehicule pe lângă performanțele de consum apreciabile reușesc să folosească o parte din energia recuperată din timpul decelerărilor și frânărilor. De la aceste vehicule așteptările sunt mari, totodată ele caută să fie în conformitate cu regulile ATPZEV (Advanced tehnology Partial Zero Emission Vehicle).

2.Particularitățile transmisiilor hibride pentru autoturisme

2.1. Clasificarea și funcționarea construcțiilor hibride

2.1.1. Introducere

Sistemele de propulsie care au in componenta lor pe langa un sistem conventional cu motor cu ardere interna inca cel putin unul capabil sa furnizeze cuplu de tractiune la rotile automobilului, pe de o parte, si sa recupereze o parte din energia cinetica, in fazele de decelerare, pe de alta parte, sunt cunoscute sub denumirea de transmisii hibride. Se prezinta arhitecturile fundamentale ale sistemelor hibride. Tipuri de siteme: hibrid serie daca legatura motor termic/roti se face electric (motorul cu ardere interna nefiind legat cinematic la rotile motoare); hibrid paralel (cand exista o legatura cinematica intre motorul termic si roti, caz in care, deseori, masina electrica vehiculeaza puteri inferioare celei termice), respectiv hibrid mixt (denumit si dual), arhitectura ce combina cele doua variante de mai sus.

Cel mai frecvent, cel de-al doilea sistem este unul electric, dar poate fi si hidraulic sau pneumatic. Cea de-a doua caracteristica importanta a sistemelor hibride de propulsie este aceea ca necesita cel puțin doua sisteme de stocare a energiei. Primul, si cel mai cunoscut, este rezervorul de combustibil, in care energia este stocata intr-o forma foarte concentrata, iar in cel de-al doilea energia poate fi extrasa dar si acumulata, in funcție de cerințele automobilului. Cele mai potrivite sunt bateriile electrice dar si supercondensatorii, acumulatorii cinetici sau hidraulici. Un acumulator deosebit de avantajos îl constituie bateriile de mare putere pe baza de Litiu, care au o capacitate moderata de stocare si o durata de viața excepționala (>240.000 km).

Pana in 2020 pe piața se vor impune baterii cu mare densitate de energie, cum ar fi Litiu-Ion (120-200 Wh/g) > NiMH (60-100 Wh/g) > Pb-acid (30-45 Wh/g).

2.1.2. Utilizarea si clasificarea construcțiilor hibride

Combinația dintre motorul cu combustie și unitatea electrică oferă o mai bună autonomie și disponibilitate decât un vehicul numai cu acționare electrică. Capacitatea motorul electric de a fi capabil să ajungă la cuplul maxim chiar și la viteze reduse deschide posibilitatea unui supliment interesant motorului cu combustie convențional (Fig. 2.1).

Chiar și la standarde de performanță reduse, cuplul electromotor poate fi relativ mare. Odata cu creșterea vitezei, crește și performanța aproximativ liniar până când "viteza de vârf", punctul de performanță maximă, este atinsă. Dincolo de această viteză de vârf, cuplul electromotor scade după o hiperbolă a puterii.

În acest interval de viteză, curbele de cuplu si putere ale motorului cu ardere internă ajung de obicei, la valorile cele mai înalte ale lor, ceea ce înseamnă că din combinarea motorului electric cu cel cu ardere internă, pot rezulta condiții avantajoase de funcționare:

conducere pur electric fără zgomot temporar și fără emisii de gaze (de exemplu, în zonele urbane aglomerate);

pornire și manevrare electrice fără motor cu ardere internă;

recuperarea energiei cinetice în timpul frânării prin încărcarea acumulatorului de energie electrică în timpul funcționării ca generator a motorului electric (recuperare);

sprijinul cuplului motorului cu ardere internă asigurat de motorul electric (accelerație mai puternică);

pornirea/oprirea motorului cu ardere internă în timpul blocajelor din trafic sau atunci când se oprește la un semafor;

asigurarea unui supliment la cerințele de putere ale vehiculului prin funcționarea ca generator a motorului electric (elimină nevoia unui alternator).

Fig. 2.1: Curbele caracteristice de cuplu și putere pentru motoarele electrice și motoarele cu combustie internă

Cu toate acestea, vehiculele cu propulsie hibridă au un dezavantaj de greutate în comparație cu cele cu un singur tip de sistem de propulsie, deoarece, pe lângă a doua unitate, ele necesită, de asemenea un al doilea acumulator de energie.

Mai mici în greutate și cu cerințe de spațiu de instalare redus, motoarele trifazate de curent alternativ au avantajul unei densități de putere mare, ceea ce le face ideale pentru utilizarea în vehiculele cu propulsie electrică sau hibridă.

În acest context, în principal două diferite tehnologii de motoare trifazate de curent alternativ sunt în uz:

mașini asincrone (ASM);

mașini sincrone cu magneți permanenți (PSM).

Pe lângă acestea, tipuri speciale de motoare electrice utilizate de asemenea sunt:

Mașini cu magneți permanenți cu flux transversal (TFM);

Mașini cu rezistență magnetică inversată (SRM).

Ca mașini cu propulsie de înaltă performanță, motoarele de curent continuu abia mai sunt în uz la vehiculele cu motor de astăzi.

Noile condiții de operare descrise mai sus pot fi deduse pentru structura funcțională a propulsiei unui vehicul în funcție de datele referitoare la performanțele unității de antrenare electrice (motor electric și acumulator de energie electrică) și nivelul de tensiune asociat. Aceste condiții sunt potențial avantajoase nu numai pentru reducerea consumului de carburant și a emisiilor, dar de asemenea cu privire la alte criterii cum ar fi de conducerea dinamică și confortul. De aici se obține o subdiviziune în diferite clase de hibrizi (Tabelul 2.1).

Discuția despre propulsia hibridă cu motoare cu ardere internă și motoare electrice
implică distincția între aceste concepte:

sistem de propulsie hibridă în serie, Fig. 2.2 a:

fără cuplare mecanică a motorului cu ardere internă cu roțile;

cutia de viteze mecanică nu este obligatorie;

un motor cu combustie internă împreună cu un generator funcționează numai ca un producător de energie electrică;

două mașini electrice de înaltă performanță (generator + generator/motor electric).

sistem de propulsie hibridă în paralel, Figura 2.2 b:

ambele unități pot fi combinate;

cutie de viteze mecanică necesară;

o singură mașină electrică este necesară.

Când motorul cu ardere internă este utilizat, acesta poate rula la o eficiență aproape de optim. Dacă puterea specifică de ieșire a motorului este mai mare decât cea necesară depășirii rezistenței de rulare, excesul de putere poate fi folosit pentru a încărca bateria. În cazul în care puterea specifică de ieșire a motorului cu ardere internă este mai mică decât cea necesară depășirii rezistenței de rulare, motorul electric poate oferi sprijin, atâta timp cât starea de încărcare a acumulatorului de energie electrică permite acest lucru.

Cu toate acestea: pierderile de conversie trebuie să fie luate în considerare.

sistem de propulsie hibridă cu divizare de putere, Figura 2.2 c:

divizarea puterii motorului cu ardere internă în putere mecanică și electrică;

mecanisme cu roți planetare necesare divizării și însumării energiei electrice și mecanice. Acest variator electric permite o conversie continuă a cuplului și vitezei;

cel puțin două mașini electrice de înaltă performanță sunt necesare. Cu toate acestea, din cauza alimentării reciproce cu putere, ele nu pot furniza întreaga lor putere nominală pentru procesele de amplificare a accelerației sau de recuperare a energiei de frânare.

Micro hibrizii și cei medii sunt în general construiți ca hibrizi în paralel. Distincția dintre hibrizii în serie, paralel și cu divizare de putere se referă la hibrizii totali.

Tabelul 2.1: Clasele de hibrizi

Fig. 2.2: Sisteme de propulsie hibridă: a) în serie; b) în paralel; c) cu divizare de putere

Fig. 2.3: Clasificarea transmisiilor hibride

2.1.3. Construcția și funcționarea transmisiilor hibride

Sisteme hibride in serie

Fig. 2.4: Schema fluxului de putere la un sistem hibrid in serie

Motorul cu ardere internă antrenează un generator, iar un motor electric folosește curentul electric generat pentru antrenarea roților vehiculului. Acest model este numit sistem hibrid în serie deoarece fluxul de putere către roțile vehiculului acționează ca un sistem înseriat. Un sistem hibrid în serie poate fi folosit în cazul unui motor electric ce poate fi menținut cu ușurință in domeniul stabil al funcționării acestuia, și totodată acest sistem este capabil să furnizeze un surplus de energie electrică motorului electric care, la rândul lui poate sa încarce bateria.

Acest tip de sistem hibrid are doua “ motoare” :

un generator (care are aceeași structură ca un motor electric);

un motor electric.

Puterea transmisă de la motorul cu ardere internă trebuie sa treacă prin generator si motorul electric, astfel fiindu-i redusa eficienta. Fiecare transformare rezulta cu o pierdere de energie. Eficienta motor – transmisie este de aproximativ 70% – 80% mai mica decât a unui ambreiaj mecanic convențional care are o eficienta de 98%. In timpul distantelor lungi pe autostrada, motorul cu ardere interna trebuie sa suplinească majoritatea energiei, astfel in cat sistemul hibrid serie este cu 20% – 30% mai puțin eficient decât cel paralel.

Fig. 2.5: Structura vehiculului hibrid serie

Utilizarea cate unui motor in fiecare roata duce la eliminarea elementelor de transmisie mecanica convenționala ( cutie de viteze, diferențial) si poate câteodată elimina cuplajele flexibile. Avantajul motoarelor in fiecare roata include un control al tracțiuni mai simplificat, o angrenare in toate roțile, si permit podele mai joase care sunt de ajutor in căzut autobuzelor. Unele vehicule militare 8×8 folosesc motoare individuale in roti. Locomotivele Diesel – electrice folosesc acest concept de peste 60 de ani.

Sistemul hibrid paralel

La sistemul hibrid în paralel atât motorul cu ardere interna cît și motorul electric transmit putere la roți, iar această putere poate fi furnizata de cele două motoare concomitent iar acest sistem se poate acomoda ușor unor situații tipice predestinate. Acest tip este cunoscut sub numele de sistem paralel pentru că fluxul de putere “curge” către roți in mod paralel.

La acest sistem bateria este încărcată prin comutarea motorului electric pentru a funcționa ca un generator, iar curentul electric din baterii este folosit ca putere efectivă pentru a antrena roțile vehiculului.

Deși are o structură simplă sistemul hibrid paralel nu poate antrena roțile vehiculului cu puterea furnizată de motorul electric în timp ce acesta, simultan, încarcă și bateria.

Pentru a păstra putere, este folosit un pachet de baterii cu un voltaj mai mare decât cele normale de 12 V. Accesorii precum servodirecția si aerul condiționat sunt acționate de către motorul electric, nu mai sunt atașate motorului cu ardere interna. Acest lucru permite funcționarea acestor accesorii la viteze constante, fiind neinfluențate de turația motorului cu ardere internă.

Fig. 2.6: Schema fluxului de putere la un sistem hibrid in paralel

Hibridele in paralel pot fi categorisite de modul in care sunt cuplate mecanic cele doua surse de putere. Daca ele sunt cuplate pe o axa in paralel, viteza trebuie sa fie identica. Când numai una din cele doua surse de propulsie este folosita, cealaltă trebuie sa se rotească într-o viteza de relată sau sa fie conectata la un ambreiaj. La vehiculele, modul cel mai frecvent de a cupla cele doua sursa este printr-un diferențial .

Fig. 2.7: Structura vehiculului hibrid electric paralel

Sistemul hibrid serie – paralel

Fig. 2.8: Schema fluxului de putere la un sistem hibrid serie – paralel

Acest tip de sistem hibrid combină avantajele sistemului serie cu cele în paralel în vederea maximizării avantajelor celor două sisteme. Are două motoare și în funcție de condițiile rulării folosește doar motorul electric pentru antrenarea roților, sau puterea furnizată roților poate fi data atît de motorul electric cît și de motorul cu ardere internă pentru a atinge un nivel maxim de eficiență. Mai mult, când este necesar, sistemul antrenează roțile în timp ce simultan generează curent electric folosind un generator. Un astfel tip de hibrid echipează autovehiculul produs de firma TOYOTA sub numele de PRIUS.

Numele acestei tehnologii folosit de brandul Toyota este „Hybrid Synergy Drive”, si este folosita pe Prius, Camry si Highlander. Un calculator prevede operațiunile întregului sistem, determinând care parte trebuie sa fie folosita, daca trebuie folosita amândouă, sau daca trebuie oprit motorul MAI cand motorul electric este suficient pentru a produce puterea necesara.

Fig. 2.9: Principalele componente ale sistemului Full Hybrid

Hibride cu putere asistata

Aceste vehicule folosesc motorul MAI pentru puterea principala, cu un motor electric care sa dea un supliment de putere conectat la un tren de rulare convențional. Motorul electric, montat între MAI si transmisie, este de fapt un demaror mult mai mare si puternic, care nu intra in funcțiune numai când motorul este pornit, dar si când șoferul accelerează puternic si este nevoie de o putere extra. Sistemul de baterii atașat este folosit pentru a furniza energie electrica accesoriilor.

O varianta a acestui tip de hibrid este folosit pe modelul Saturn Vue Green Line:

Fig. 2.10: Sistemul hibrid al Saturn Vue Green Line

Hibridele Slabe

Hibridele slabe, sunt de fapt vehicule convenționale cu demaroare supradimensionate, permițând oprirea motorului atuncea când este la relanti, când frânează sau este oprit, si permit repornirea acestuia repede. Accesoriile pot continua sa funcționeze prin putere electrica când motorul este oprit, si ca si in alte design-uri hibride, este folosit la frânarea regenerativa pentru a recupera energie. Motorul electric aduce MAI la turații operaționale înainte de a injecta combustibil.

Un bun exemplu este Chevrolet Silverado Hybrid (Fig. 3.10), prin care s-a reușit o îmbunătățire cu 10% a eficientei prin acest sistem.

Fig. 2.11: Chevrolet Silverado Hybrid

Hibridele slabe folosesc deobicei O baterie de 42 V pentru a suplini puterea necesara pentru pornirea motorului, dar si pentru a compensa cu numărul de accesorii electronice in creștere la bordul autovehiculelor moderne.

Hibridele Plug-In

Un vehicul hibrid electric Plug-In este un vehicul cu baterii care pot fi reîncărcate conectând un cablu la o sursa de curent electric. Combina caracteristicile vehiculelor hibride tradiționale, având un motor electric si un MAI, dar si a vehiculelor electrice pe baterii, având un cablu pentru a fi conectate la o sursa de curent. Majoritatea acestor autovehicule sunt de pasageri, dar sunt si pe dubițe, camioane utilitare, autobuze școlare, motociclete, scootere si vehicule militare.

Costul electricității folosite de aceste vehicule pe operațiuni numai electric, a fost estimat la mai puțin de ¼ din prețul carburanților. In comparație cu vehiculele convenționale, aceste vehicule pot reduce poluarea aerului, dependenta de petrol, emisiile de gaze, ceea ce contribuie la încălzirea globala. Hibridele Plug-In nu folosesc deloc combustibili fosili la operațiuni numai electric, daca bateriile sunt încărcate de la o sursa nucleara sau regenerabila.

Fig. 2.12: Mercedes SMART ForFour Plug-In Hybrid

2.2. Particularitățile funcționării motoarelor cu ardere internă și electric la nivelul fiecărui sistem al transmisiilor hibride

Deoarece la sistemele hibride serie motorul cu ardere internă furnizează curent electric, pentru ca motorul electric să acționeze roțile, atît motorul cu ardere internă cît și motorul electric depun același efort pentru a antrena fluxul de putere către roțile vehiculului.

La sistemul paralel motorul cu ardere internă este folosit ca și principala sursă de putere iar motorul electric este folosit doar pentru a asigura un surplus de putere accelerării. Din această cauză motorul cu ardere internă este mai des folosit.

La modelul serie-paralel este folosit un dispozitiv divizor de putere care împarte puterea în două părți aproximativ egale, atît de la motorul cu ardere internă cît și de la motorul electric, astfel încît rația de flux de putere merge atît spre roți cît și spre generator, iar aceasta rație poate fi modificată cantitativ în mod continuu în funcție de situațiile întîlnite în trafic.

Fig. 3.11: Rația in care este folosit MAI pentru fiecare tip de sistem hibrid

În tabelul 2.2 sunt prezentate comparativ performanțele celor trei tipuri de transmisii hibride , din care rezultă superioritatea transmsiei hibride serie/paralel.

Tabelul 2.2: Performantele celor 3 tipuri de transmisii hibride

2.2.1. Caracteristica sistemelor hibride

Sistemele hibride prezintă următoarele caracteristici:

Pierderile de energie sunt reduse – Aceste sisteme stopează în mod automat pierderile de energie ale motorului cu ardere internă.

Recuperarea energiei și refolosirea acesteia – Energia care în mod normal este pierdută, ca de exemplu căldura generată în timpul accelerării și frînării, este recuperata ca și energie electrică, care la rîndul ei este folosită ca putere pentru antrenarea starterului și motorului electric.

Asistență permanentă a motorului cu ardere internă – Motorul electric asistă motorul cu ardere internă în timpul accelerării.

Performanțe înalte ale managementului de control al puterii furnizate – Sistemul maximizează eficiența vehiculelor folosind motorul electric pentru a antrena vehiculul sub anumite cerințe de rulare în care eficiența motorului cu ardere internă este redusă și generează curent electric sub anumite condiții în care motorul cu ardere internă are o eficienta sporită.

Sistemul serie-paralel prezintă toate aceste caracteristici și anume un consum de combustibil redus cît și performanțe ridicate în domeniul accelerărilor, de exemplu.

Fig. 2.13: Schema componentelor principale ale unui vehicul hibrid

2.2.2. Configurația sistemului

Sistemul hibrid conține două tipuri de surse de putere:

un motor cu ardere internă care folosește ciclul Atkinson;

un magnet permanent;

un motor sincron A.C cu un output de 1.5 ori mai mare decît de obicei;

un generator;

o baterie dezvoltată pe tehnologia Ni-Mh sau Li-Ion;

o unitate de control a puterii.

Această unitate de control conține un circuit de înalta tensiune ~500V pentru a aduce putere în surplus bisistemului atît pentru motor cît și pentru generator. Acest curent este furnizat mai departe unui invertor A.C-D.C care convertește curentul alternativ de la motor, generator și baterie.

Un alt component cheie al sistemului hibrid îl constituie un divizor de putere care transmite forțele motoare necesare, de la motor precum și puterea venită de la motorul electric și generator combinîndu-le. Unitatea de control controlează acest amestec de putere pentru a obține o combinație perfectă.

Fig. 2.14: Unitatea de control a puterii elaborată de firma TOYOTA

Fig. 2.15: Schemele fluxului de putere la sistemele hibride serie-paralel

Circuitul de înalta tensiune

Circuitul de înaltă tensiune ce trece prin unitatea de control permite curentului motorului și al generatorului să fie ridicat de la o valoare de 274V la 500V. Ca și rezultat puterea elecrică poate fi furnizată motorului folosind un curent mic.

P = U x I (Puterea = Tensiunea x Intensitatea)

În continuare folosind legea lui Joule „” pierderile de putere în domeniul caloriilor sunt reduse la ¼ dacă rezistența este menținută constantă.

Motorul electric

Fig. 2.16: Schema generală a motorului electric

Motorul electric folosit la vehicule hibride provine de la vehiculele total electrice. În general este folosit un motor de curent alternativ sincron. În componența lui intra magneți permanenți și un rotor fabricat din foițe de oțel electromagnetic. Magneții permanenți sunt aranjați în formă de V iar cuplul transmis este îmbunătățit substanțial prin acest aranjament. Pentru o funcționare optimă motorul este echipat cu o unitate de control ce reușește să mențină motorul la o turație medie în vederea unei funcționării cît mai stabile la diferite regimuri de solicitare a acestuia.

Generatorul

Ca și motorul electric, generatorul este de tip A.C sincron. Pentru a putea furniza puterea este menținut la turații ridicate. Se estimează că acest generator poate fi ridicat pînă la o turație de 10000 rot/min. Această turație ridicată asigură capacitate de accelerare optimă.

Fig. 2.17: Schema generală a generatorului

2.2.3. Regenerarea puterii pierdute prin frânare

Regenerarea puterii pierdute prin frânare se folosește atunci cînd motorul este frânat sau cînd se folosește frânarea la pedală, în aceste momente motorul electric funcționează ca și un generator, care convertește energia cinetică în energie electrică care este folosită ulterior pentru încărcarea bateriei. Sistemul își arată eficacitatea în ciclul de rulare urban, unde accelerările și decelerările sunt foarte des utilizate.

Cînd se apasă pedala de frână sistemul controlează coordonarea între circuitul hidraulic al frânei și circuitul de regenerare a frânării, cu altfel spus energia rezultată din frânări ușoare la viteze mici este recuperată.

Fig. 2.18: Schema generală a sistemului de recuperare a energiei prin frânare

2.2.4. Transmisia hibrida

Transmisia hibridă conține un divizor de putere, un generator, motor electric și treptele reducătoare. Puterea de la motorul cu ardere internă este împărțită în două. Una din ieșiri este conectată la motorul cu ardere internă și la roți, în timp ce cealaltă este conectată la generator. În acest fel puterea motoare de la motor este transmisă prin intermediul a două rute: una mecanică și una electrică.

Transmisia este totodată echipată cu o cutie de tip CVT (continuos variable transmision), care reușește să modularizeze turația motorului cu ardere internă și rotația generatorului țn același timp.

De altfel în cadrul transmisiei prin folosirea unor materiale “inteligente” s-au redus frecările cu aproape 30% față de construcțiile similare anterioare.

Fig. 2.19: Schema generală a sistemului de transmisie hibridă

Divizorul de putere

O componentă principală a transmisiei hibride serie/paralel o constitue divizorul de putere care realizează repartizarea puterii ce provine de la motor; o parte – I, se transmite la roțile motoare iar cealaltă parte – II, la generatorul electric care alimentează cu energie electrică motorul electric de propulsie. În acest mod energia care provine de la m.a.i. și care este utilizată pentru propulsie ajunge la roțile motoare pe două căi: una mecanică și cealaltă electrică.

Unitatea electronică de comandă și control prin circuitele sale controlează în permanență transmisia variabilă, astfel încât viteza de deplasare poate fi modificată continuu prin variația continuă a turației m.a.i., generatorului electric și motorului electric.

În general divizorul de putere cuprinde un mecanism planetar, fig. 3.19.

Motorul cu ardere internă este cuplat la divizorul de putere prin intermediul arborelui portsatelit, care este în acest caz arborele conducător (motor), cu pinioanele satelit ale mecanismului planetar; generatorul electric este cuplat la axul roții centrale 1 (roata solară); motorul electric este cuplat la arborele condus, care în acest caz este cuplat la coroana dințată.

Fig. 2.20: Schema generală a mecanismului planetar diferențial

Acțiunile motorului si generatorului

În funcție de regimul de funcționare al autovehiculului și transmisiei hibride, turațiile celor trei componente importante: m.a.i., generatorul electric și motorul electric au valori și sensuri diferite, conform fig. 2.21.

La pornire autovehiculul folosește doar motorul electric care se alimentează de la bateria de acumulatori, m.a.i. fiind oprit; sensul și compararea turațiilor fiind precizate în fig. 2.21 a) .

În timpul accelerării, după pornirea de pe loc, generatorul care are rol și de electromotor primește comandă de la UECC și pornește MAI; odată pornit motorul cu ardere internă, generatorul electric va începe să producă energie electrică ce este utilizată pentru suplimentarea energiei consumată de motorul electric pentru propulsie și în același timp pentru reîncărcarea bateriei de acumulatori; compararea turațiilor fiind precizată în fig. 2.21 b) .

Fig. 2.21: Turatiilor celor 3 motoare in functie de regimurile autovehiculului hibrid

În condițiile staționare de deplasare (viteza constantă), propulsia se realizează cu ajutorul motorului electric și a m.a.i., nefiind necesară generarea de energie electrică suplimentară, compararea turațiilor fiind precizată în fig. 2.21 c).

Pentru regimurile de accelerare, turația m.a.i. crește și în același timp și a generatorului electric care generează energie electrică; motorul electric utilizâd energia electrică care provine de la bateria de acumulatori cât și pe cea suplimentară ce provine de la generator, susține și mărește accelerarea autovehiculului; compararea turațiilor este precizată în fig. 2.21 d).

Fig. 2.22: Tip de acumulator dezvoltat de firma TOYOTA

2.2.5. Tipuri de energie folosite pentru alimentarea autovehiculelor hibride

Baterii

În industria auto, pentru mașinile hibride, sunt utilizate baterii de tip NiMH dar industria moderna Continental AG va începe producția de baterii Li-Ion destinate autovehiculelor hibride. Bateriile produse de Continental vor fi reîncărcabile și vor cântări 25 de kilograme. Tehnologia va fi utilizată pe modelul Mercedes S400 Blue Hybrid. Aceste baterii generează 22.6 KWh suficient pentru ca mașina sa parcurgă 80 km fără ajutorul motorului cu ardere interna.

O baterie electrica pentru autovehicul (EVB) e o baterie reîncărcabila folosita la autovehiculele electrice (BEV) .

Acumulatorii sunt in general cele mai costisitoare componente ale BEV, totodată bateriile de la autovehicule electrice vechi sau accidentate pot fi achiziționate pentru sisteme rețea de baterii considerate mici centrale electrice. Costul de producție al unui acumulator e substanțial, dar încurajând returnările de baterii la scara poate servi la scăderea costurilor când autovehicule BEV sunt produse la scara autovehiculelor moderne cu motoare clasice.

Încă de la sfârșitul anilor 1990, s-au produs mari evoluții in tehnologia acumulatorilor, datorate creșterii acerbe a pieței laptopurilor si telefoanelor mobile, odată cu cererea consumatorilor pentru mai multe specificații, display-uri mai mari mai luminoase si totodată o viața a acumulatorului mai îndelungata ducând la creșterea cercetării pentru tehnologia acumulatorilor. Piața autovehiculelor electrice a primit și a folosit aceste cercetări în avantajul ei.

Un articol ne prezintă ca un acumulator de 10 kW·h asigura destula energie pentru a parcurge 32 km intr-un autovehicul Toyota Prius, dar aceasta nu este prima sursa, si nu se potrivește cu alte estimări care ne indica 8 km/ kW·h. Autovehiculul Chevrolet Volt se așteaptă sa atingă un consum de 4.5 l/ 100 km când funcționează pe sursa auxiliara de energie (un generator) la o eficacitate termodinamica de 33% ceea ce ar însemna 12kW·h pentru parcurgerea a 80 km. Prototipuri de 75 W·h/kg acumulatori lithium ion polymer.

Noile celule Li-Ion pot asigura pana la 130 Wh/kg si pot suporta mii de cicluri descărcare-reîncărcare. Acumulatorii utilizați la autovehiculele electrice includ plumb-acid, NiCl, nichel, hidolit, litiu Ion, polimeri, si mai puțin comun oxid de zinc. Capacitatea electrica depozitata in acumulatori e măsurata in amperi ora, cu energia totala măsurata in Watt ore.

Viitorul acumulatorilor electrici pentru autovehicule depinde in principal de costul si disponibilitatea acumulatorilor cu densitate mare de energie, putere crescuta si viața cat mai îndelungată la fel ca si celelalte aspecte ca motoare electrice, controlare si totodată generatoare pentru a ajunge la maturitatea la care pot concura cu motoarele cu ardere interna.

Acumulatorii Li-ion, Li-polimer si zinc-aer au demonstrat densitatea de energie îndeajuns de ridicate pentru a face concurenta autovehiculelor convenționale.

Catodul acumulatorilor lithium-ion fabricate la începutul anului 2007 era fabricat din lithium-cobalt oxid de metal. Acest material e costisitor, si poate degaja oxigen din celula daca e supraîncărcat. Daca cobaltul e înlocuit cu fosfat de fier, celulele nu vor arde si nici nu vor degaja oxigen la reîncărcare. Prețul de producție la începutul anilor 2007 a unui acumulator era de 5000 $ US, iar bateriile NiMH la 3000 $ US. Prețul era preconizat să ajungă în 2017 la maxim 1200 $ US datorita producerii in serie larga.

Acumulatorii individuali sunt de obicei aranjați in ansambluri largi de baterii de diferite capacitați ( voltaj si amperi-ora) in așa fel ca să producă capacitatea necesara.

Timpul de revizie al acumulatorilor ar trebui considerat in momentul calculului costurilor de întreținere a autovehiculului, deoarece toți acumulatorii se uzează si implicit necesita înlocuire. Timpul de înlocuire depinde de o serie de factori.

„Adâncimea de descărcare” (DOD) e proporția recomandata din energia totala înmagazinată pentru care acumulatorul îsi va îndeplini ciclurile standard. Acumulatorii cu plumb in general nu trebuie descărcați sub 20% din capacitatea totala. Rețetele moderne a acestor acumulatorii pot rezista ciclurilor mai adânci ( mai mari ).

In utilizarea cotidiana, câteva flote de Toyota RAV4 EV, folosind acumulatori NiMH, au depășit 160.000 km cu mici degradări ale fiabilității.

Bateria de supercondensatoare

Această baterie este formată din condensatoare cu dublu înveliș electric. Pentru același volum, capacitatea supercondensatoarelor este de aproximativ 100 de ori mai mare ca aceea a condensatoarelor dielectrice convenționale. Tehnologia de realizare a supercondensatoarelor are la bază electrozii de tip metal/carbon și un electrolit organic ce oferă o densitate de energie ce poate depăși 10 Wh/kg și o densitate de putere de peste 10 kW/kg.

Descărcarea lor se face într-un timp de 0,3 – 60 s. Durata de viață a acestor supercondensatoare este relativ mare, de aproximativ 500 000 de cicluri. Tensiunea

foarte mică de la borne de aproximativ 2,3 V la o capacitate de 2700 F și o rezistență internă de 0,85 mΩ implică montarea în serie a mai multor astfel de elemente.

Pentru echilibrarea tensiunii între elementele diferite ale modulului se instalează un circuit de egalizare (Individual Cell Equaliser).

Supercondensatoarele au fost dezvoltate in anii 1960 si pot fi gasiti pe o mare varietate de dispozitive electronice. Totuși eu au rămas cu un cost crescut de producție si doar recent au devenit competitivi pe piața. Deși supercondensatoarele au o fiabilitate crescuta si nu sunt influențați de variațiile de temperatura, dimensiunile de volum le-au limitat capacitatea energetica pana acum.

Marele avantaj al folosirii unui supercondensator pe autovehiculele hibride este acela ca timpul de reîncărcare este de doar câteva secunde, la fel de repede ca atunci când se face alimentarea la benzinărie.

Pilele de combustie

Reglementările europene, din ce în ce mai dure, în privința nivelului de poluare admis au impus constructorilor de autovehicule necesitatea dezvoltării de tehnologii noi sau de ameliorare a celor existente, în vederea realizării de vehicule nepoluante.

O soluție ce se întrevede este perfecționarea autovehiculului electric alimentat cu pile de combustie, care permite obținerea de performanțe foarte bune în ceea ce privește emisiile poluante, precum și a unui randament de funcționare care este mai mare de 50% în comparație cu motoarele cu ardere internă.

Multe firme constructoare de autovehicule au programe paralele de dezvoltare a autovehiculelor electrice, iar unele dintre acestea încearcă utilizarea pilelor de combustie

ca sursă de energie. Având în vedere interesul constructorilor pentru acest tip de autovehicul, se întrevede speranța începerii producției de autovehicule electrice alimentate cu pile de combustie în anii 2009–2010. Alegerea combustibilului pentru acest tip de vehicul este o decizie importantă.

Preferințele și acceptabilitatea clienților vor juca un rol foarte important în această alegere care depinde atât de performanțele vehiculului cât și de facilitatea și suplețea realimentării. Necesitatea creării unei noi rețele de distribuție ar putea fi o frână în această dezvoltare, deoarece se impun investiții importante în această direcție.

Problema combustibilului utilizat și a stocării acestuia la bordul autovehiculului este extrem de importantă. Hidrogenul pare să fie combustibilul viitorului și poate conferi pilei de combustie o funcționare cu un randament foarte bun și fără emisii poluante. Dar necesitatea stocării unei cantități suficient de mari la bordul autovehiculului conduce la diminuarea volumului util al autovehiculului precum și a sarcinii acestuia.

Pe de altă parte, el necesită o rețea de pompe de alimentare care nu există la ora actuală și care înseamnă costuri de investiții foarte mari în viitor. Nu trebuie neglijate nici aspectele tehnice legate de puritatea acestuia și necesitatea purjării în cazul stocării prelungite.

Metanolul, o altă soluție de combustibil pentru pila de combustie, pe lângă toxicitatea sa ridicată are și un randament de utilizare mai mic.

Utilizarea combustibililor convenționali pare să fie o soluție tranzitorie și de compromis. Hidrocarburile, în speță benzina, pot fi transformate într-un amestec de hidrogen, CO și CO2, prin vaporformaj catalitic sau oxidare parțială. Însă, în acest caz, apare ca indispensabilă o unitate de purificare a gazului.

Hidrogenul este conținut în aproape orice din jurul nostru, dar este rar găsit în forma lui pură. De cele mai multe ori este cuplat cu alte elemente în compuși cum sunt gazul natural sau apa. Hidrogenul trebuie să fie extras din acești compuși printr-un proces de fabricare care adaugă energie pentru a desprinde legăturile care susțin compusul.

În 2003, președintele SUA George Bush a anunțat un program numit „Inițiativa Combustibilului Hidrogen” sau HFI (Hydrogen Fuel Initiative). Această inițiativă, susținută de legislația din „Actul Politicii Energiei” (Energy Policy Act of 2005 (EPACT 2005)) și de Inițiativa Energiei Avansate din 2006, țintește să dezvolte hidrogenul, pilele de combustie și tehnologiile de infrastructură pentru a face vehiculele propulsate de pile de combustie practice și permisibile ca preț până în 2020. Statele Unite ale Americii au dedicat mai mult de un miliard de dolari cercetării și dezvoltării pilelor de combustie până acum.

Pilele de combustie generează energie electrică în liniște, eficient și fără poluare. Spre deosebire de sursele de energie care utilizează combustibili fosili, produsele secundare de la o pilă de combustie sunt căldura și apa.

Pentru cele mai multe combinații combustibil-oxidant, energia disponibilă eliberată de ardere este oarecum mai mică decât căldura arderii.

Într-un proces obișnuit de conversie a energiei termice, căldura arderii combustibilului este transformată curent electric printr-un ciclu de ardere Carnot cuplat cu un generator electric rotativ. Cum se știe că o conversie Carnot rareori depășește un randament de 40% datorită sursei de căldură și limitărilor de temperatură, eficiența conversiei într-o pilă de combustie poate fi mai mare decât într-un motor cu ardere internă, mai ales în dispozitive mici.

O pilă de combustie transformă combustibilul în putere printr-o conversie electrochimică de energie.  Folosind combustibil și oxigen din aer, produce electricitate, apă și căldură. Apa – pură H2O – este doar produs rezidual emis atunci când hidrogenul este utilizat ca și combustibil într-o pilă de combustie. O pilă de combustie poate genera putere aproape nelimitată ca timp, atâta timp cât combustibilul este asigurat. În plus, o pilă de combustie este modulară și poate fi mărită doar prin adăugarea mai multor pile pentru a fi sursa de energie pentru absolute orice, de la telefoane mobile la automobile sau clădiri întregi.

Fig 2.23: Pila de combustie pe Hidrogen

Reacția într-o pilă de combustie cel mai des implică combinarea hidrogenului H cu a oxigenului O e explicitata in fig. 2.23. În sarcină curent nenul, o pilă de combustie are pierderi în tensiune V . Pilele de combustie de temperaturi joase, acestea se datorează în mare încetinirii cinetice ireversibilitatea reacției de reducere a oxigenului, care necesită spargerea unei duble legături cu transferul a patru electroni pe moleculă într-o secvență complexă de reacții.

În sisteme de temperatură ridicată, pierderile prin reducerea oxigenului sunt mai mici, cum rata de reacție crește cu temperatura. Oricum, energia liberă disponibilă atunci descrește, scăzând la o valoare corespunzătoare la aproape 1.0 V la 1000°C. Încă o pierdere termodinamică rezultă din conversia înaltă a combustibilului sau oxidantului pentru a evita pierderea, deci potențialul efectiv reversibil este deplasat față de starea inițială. Cu toate că, la temperaturi înalte, principala pierdere este termodinamică, care tind să compenseze pierderile ireversibile oxigen electrod la temperaturi joase.

O pilă de combustie pe hidrogen combină electrochimic hidrogenul și oxigenul pentru a genera electricitate, apă și căldură. Nu sunt alte emisii. Diferitele tipuri de pile folosesc diferite tipuri de electroliți cu reacții electrochimice diferite, dar reacția generală este aceeași.

Structura de bază a unei pile de combustie constă într-un strat de electrolit care este în contact cu un anod și un catod. Normal, combustibilul este furnizat în mod continuu la anod și un oxidant (de exemplu: oxigen din aer) care e furnizat în mod continuu la catod. Stratul de electrolit acționează ca o supapă cu sens unic, permițând să treacă prin el de asemenea ioni pozitivi cât și negative, dar nu și electroni, forțând ca aceștia să treacă prin circuitul extern (curent electric). Curentul electric rezultat poate fi utilizat pentru a alimenta diverse aplicații.

Beneficiile pilelor de combustie pe hidrogen

Atunci când e vorba de a transforma combustibilul în energie, pila de combustie este de două până la trei ori mai eficientă decât motorul cu ardere internă, de aceea este unul din motivele pentru care fiecare producător important de automobile din lume investește în dezvoltarea pilelor de combustie. Pilele de combustie pot oferii beneficii semnificative față de tehnologiile tradiționale, printre care si: eficiența superioară a combustibilului, pilele de combustie pe hidrogen au emisii zero sau aproape de zero, în comparație cu motoarele cu ardere internă, versatilitate – pilele de combustie pe hidrogen pot fi folosite în aplicații mici, portabile staționare și de transport, cost de întreținere redus, datorită puținelor piese în mișcare, construcție modulară, care permite pentru un preț mic producerea de volume mari, libertăți de proiectare, funcționare silențioasă.

2.3. Modele constructive de automobile hibride existente

Tehnologia hibrida a început sa fie de succes in anii 1990 prin apariția modelelor Honda Insight si Toyota Prius.

Toyota Prius a fost bine vânduta încă din 2004. Designul a fost reușit si a fost cel mai ieftin vehicul hibrid realizat, atingând performante egale cu alte vehicule convenționale reducând consumul de combustibil cu pana la 40%. Modeleul Honda Civic Hybrid arata exact ca si versiunea non-hibrida dar are un consum de doar 4.7 L/100km.

Modelul de Toyota Prius din 2004 a adus îmbunătățiri atât ca aspect cat si ca confort si putere, mărind eficienta energetica si reducând emisiile. Honda Insight a fost scoasa din producție in 2006, nereușind să ajungă la performanțele Prius-ului. In 2004 Honda a lansat o versiune hibrida a modelului Accord dar si aceasta a fost oprita in 2007 realizând vânzări dezamăgitoare.

In 2005 a fost produs primul vehicul hibrid SUV de Ford cu modelul Escape Hybris.

In 2007 Lexus a lansat o versiune hibrid electrica a modelului GS450s cu o putere de 335 CP.

Toyota Prius

O realizare excepțională în acest domeniu o constituie transmisia hibridă Toyota (Toyota Hybrid System – THS) lansată în 1997 pe modelul „Prius", a cărei schemă este prezentată în figura 1.3, detaliile constructive în figura 1.4, iar organizarea generală în figura 1.5.

Trei deziderate au fost avute în vedere la realizarea acestui sistem de propulsie:

utilizarea unui motor cu ardere internă cu randament ridicat;

utilizarea unui sistem de control avansat care să asigure funcționarea permanentă a sistemului la regimul optim;

reducerea pierderilor de energie și recuperarea acesteia.

Motorul cu ardere internă folosit este un motor cu aprindere prin scânteie de 1,5 l, cu raport de destindere mărit (13,5), raport de comprimare variabil (4,8 – 9,3) și distribuție variabilă inteligentă (VVT-i).

In 2003 a fost lansată generația a doua a lui Prius sub noul concept „Hybrid Synergy Drive – HSD", intrată în producția de serie în 2004, care oferă o putere mai mare de 1,5 ori și un consum de combustibil mai mic cu 0,8 l/100 km, în NEDC, comparativ cu modelul din 2000. În Japonia motoarele diesel sunt practic inexistente, iar în SUA ele reprezintă mai puțin de l %.

Iată de ce modelul Toyota Prius, prezent de câțiva ani pe piața SUA, este pe benzină. În perioada 2006-2008, Toyota și-a propus să echipeze încă cinci modele cu tehnologia hibridă, toate full hibrid. Concurența pentru Toyota este formată din GM Chevrolet, Ford, Mazda și Nissan.

Fig. 1.3: Schema și fluxul puterii în transmisia hibridă Toyota Prius

Fig. 1.4: Toyota Hybrid System – Secțiune

Fig. 1.5: Organizarea generală a autoturismului hibrid Toyota Prius

Producătorii germani s-au orientat numai spre automobilele de lux cum ar fi Porsche Cayenne și Mercedes S-Class. Ambii producători, Porsche și Daimler-Crysler, au stabilit parteneriate cu alte companii pentru a dezvolta soluții comune. Furnizorii de echipamente precum Denso, Siemens- VDO și Continental lucrează la noua tehnologie. ZF Friedrichshafen, de exemplu, oferă componente, module și sisteme complete pentru versiunile hibride, de la micro și mediu hibrid până la total hibrid. Bosch, de asemenea, oferă toată gama de produse. Bosch realizează motoare electrice pentru antrenările hibride care pot fi integrate direct pe transmisie.

Lexus Hybrid Drive

De la nașterea mărcii, în 1989, principiul fundamental care a ghidat Lexus a fost atingerea perfecțiunii. Această filozofie a revoluționat piața automobilelor de lux, prin produse de cea mai înaltă calitate și servicii inegalabile. Lexus aspiră întotdeauna la mai mult, utilizând tehnologii noi și o gândire avngardistă, progresistă, orientată spre a inova și a depăși limitele.

Această abordare a condus deja la realizări remarcabile precum Lexus Hybrid Drive, ce echipează actualmente cele mai bune automobile hibride de lux din lume. Include crossoverul RX 450h și așteptatul automobil compact CT 200h echipat cu tehnologie hibrid integral (full hybrid) de generația a doua.

Lexus este un pionier și grație sistemelor sale deosebit de avansate de siguranță, care vin cu o serie de inovații în premieră mondială. Progresele de acest gen au menținut Lexus în primplanul tehnologiei auto subsumate dezvoltării durabile, transformând-o în marca preferată a clienților cu gândire modernă.

Fig. 1.6: Lexus RX 450h

Lexus a fost prima marcă ce a introdus, în 2004, tehnologia hibridă pe piața automobilelor premium și sunt în continuare lideri în acest domeniu. Gama de vehicule hibride este în creștere și include mult așteptatul automobil compact CT 200h, crossoverul RX 450h, limuzina hibrid de clasă Executive GS 450h și limuzina hibrid de lux LS 600h.

Toate automobilele Lexus hibride revoluționare sunt echipate cu tehnologia Hibrid Integral, care livrează o putere excepțional de cursivă și emisii extrem de reduse.

În mod unic, comparative cu sistemele hibride parțiale (mild hybrid), Lexus Hybrid Drive oferă cu adevărat o deplasare cu „emisii zero”, lucru posibil grație unor motoare electrice puternice și unei transmisii hibride sofisticate. Alimentate de o baterie compactă modernă, care stochează energia generată atunci când vă deplasați sau frânați, la viteze reduse motoarele electrice vor alimenta adesea exclusiv vehiculul. Acest lucru permite o deplasare aproape silențioasă, fără emisii de CO2, NOX și particule. Iar acum, deținătorii de CT 200h, RX 450h și LS 600h pot trece în modul Vehicul Electric (EV mode) pentru a conduce fără emisii, pe distanțe scurte și la viteze mici.

Elementul cel mai important al sistemului Lexus Hybrid Drive este inteligența sa. Indiferent cu ce viteză rulați, vehiculul furnizează continuu un amestec optim de performanță, economie de combustibil și emisii reduse, funcționând fie exclusiv prin intermediul motoarelor electrice, fie al celui pe benzină sau printr-o combinație a celor două.

Fig. 1.7: Structura sistemului de propulsie al SUV-ului Lexus RX 450h

Compact hibrid integral

Noul și remarcabilul CT 200h, primul automobile compact de lux hibrid integral, a cărui producție este programată să înceapă la sfârșitul lui 2010, a fost creat special pentru persoanele avangardiste ale viitorului. Antrenat de Lexus Hybrid Drive de generația a doua, automobilul vă permite să-i adaptați caracteristicile de performanță, astfel încât să se potrivească dispoziției dvs., iar aceasta grație unei varietăți de moduri de condus.

Modul Vehicul electric vă permite să rulați aproape silențios cu o viteză de până la 45 km/h numai cu motorul electric, fără emisii de CO2 sau NOX.

Modurile ECO și NORMAL oferă un șofat relaxant, cu o deosebită atenție acordată confortului la rulare, accelerării line și minimizării zgomotului.

Pentru un șofat mai dinamic, modul SPORT oferă o viteză de răspuns superioară, transformând în egală măsură indicatorul de putere într-un turometru clasic, iluminarea instrumentului transformându-se din albastră în roșie.

Ducând finețea designului Lexus la nivelul următor, modelul CT 200h cu 5 uși este îmbunătățit prin profilul compact și jos și un stil sport inovator. Un spoiler spate integrat gestionează fluxul de aer în spatele automobilului, în timp ce aripile sculptate din față ghidează aerul de-a lungul părților laterale ale vehiculului, iar aerodinamica părții de jos a caroseriei reduce și mai mult zgomotul. Suplimentar, eficientele faruri cu faza scurtă pe LED-uri și luminile spate cu LED-uri îmbunătățesc estetica și reduc cu până la 30 % consumul de energie electrică pentru iluminat. În interior, noul CT 200h oferă calitatea remarcabilă Lexus, confort și ergonomie, în timp ce sistemul Remote Touch de pe consola centrală asigură un control intuitiv al numeroaselor caracteristici moderne, inclusiv cele pentru divertisment, climatizare și navigație.

Lexus Hybrid Drive

Motor pe benzină de 1,8 litri, cu 4 cilindri

Mod Vehicul Electric și Mod ECO

Mod NORMAL

Mod SPORT

Transmisie hibridă cu variator continuu de turație, gestionată electronic

Tracțiune față

8 airbaguri controlate prin senzori

Ford Escape

Toate mașinile hibride au doua surse de putere – un motor pe benzina si unul electric care pot lucra împreuna. In așa numitele modele hibride „mild”  , motorul pe benzina funcționează tot timpul, iar motorul electric doar adaugă ceva cai putere in plus pentru economisirea de combustibil. Dar Ford a conceput un sistem full hybrid pentru Escape.

Fig. 1.8: Escape Hybrid incorporează tehnologia full hybrid cu cea standard Escape SUV

Intr-un sistem full hybrid, motorul pe benzina si cel electric pot funcționa separat sau in același timp. Sistemul hibrid al Escape funcționează in patru faze:

1. Start/Stop – in momentul in care rotești cheia in contact la Escape Hybrid, motorul electric pornește. Acesta la rândul lui pornește motorul pe benzina. Mașina face apoi o serie de verificări pentru a determina daca poate trece doar pe modul de operare electric.

Sunt verificate bateriile pentru a vedea daca sunt încărcate, daca temperaturile de operare sunt normale si daca, climatul interior este setat adecvat (aerul condiționat necesita funcționarea maximă motorului pe benzina). Daca acestea sunt verificate, motorul se oprește, lăsând mașina sa funcționeze doar cu putere electrica. Acest proces durează doar o secunda sau doua.

La stop, motorul pe benzina se opreste. Mașina funcționează doar cu putere electrică cât timp staționează la semafor. Ford a depus un efort foarte mare in a face ca ciclurile on/off ale motorului pe benzina sa fie cat mai line posibil, dar cei care au testat mașina au raportat un tremur perceptibil când motorul este pornit sau oprit. Acest lucru este normal la toate mașinile hibride.

2. Condusul in mod electric – Pe măsura ce Escape Hybrid accelerează de la stop, o face sub putere electrica.

Motoarele electrice sunt bune la generarea momentului motor la o rata de turație scăzuta, deci sunt perfecte pentru acest scop. La aproximativ 40 de km/h, motorul pe benzina pornește din nou. Daca traficul este foarte aglomerat se poate conduce toata ziua doar sub putere electrica. Motorul electric si cel pe benzina funcționează in cascada in funcție de viteza de mers.

3. Frânarea recuperativa – De cate ori este aplicata frâna la un vehicul, energia cinetica a mașinii este disipata precum căldura. In cazul unui vehicul hibrid, frânele iau din aceasta energie, folosind motorul electric ca si generator, care încarcă bateriile. De aceea mașinile hibride de fapt înregistrează un kilometraj mai bun,cu un consum redus de combustibil tradițional în oraș decât la drum liber. Fiecare stop reîncarcă bateriile.

Fig. 1.9: Diagrama frânarii recuperative

Motorul electric inversează direcția devenind un generator (dinam) care stochează energia in bateria vehiculului. Pentru a maximiza puterea frânarii recuperative, este important ca oprirea sa se facă lin si treptat.

Bruscarea frânelor activează sistemul anti-blocare a acestora si energia este pierduta.

4. Asistenta electrica la drum – La drum liber, la viteze intre 80-110 km/h, motorul pe benzina face toata treaba. Este cel mai eficient la aceste viteze. Însa pentru ca Escape Hybrid are un motor mic cu patru cilindri, are nevoie de ajutor la trecere. Când este necesar un impuls de viteza, motorul electric își face simțită prezenta si îi adaugă putere motorului pe benzina.

Escape Hybrid, la fel ca toate mașinile hibride, nu are transmisia obișnuita, cu trepte de viteza separate. In schimb, aceasta folosește o transmisie controlata electronic continuu variabila (eCVT). Computerele de bord stabilesc angrenajul la setarea optima pentru consumul eficient de combustibil, rezultând o creștere a eficientei cu 30 de procente fata de o transmisie convenționala, conform inginerilor Ford.

Volkswagen Touareg Hybrid

Volkswagen Touareg Hybrid este modelul cel mai inovativ din punct de vedere tehnologic, conform producătorului german, debutând pe piață, pentru prima oară, și cu o versiune de propulsie hibridă. Noul Touareg este interpretarea modernă a ideii de SUV (Sport Utility Vehicle), grație motorizărilor cu aproape 20% mai eficiente și unei largi game de sisteme de asistare și siguranță.

Modelul are caroseria este cu 5% mai rigidă, centrul de greutate este mai coborât, iar designerii au reușit să îmbunătățească și coeficientul aerodinamic. O altă caracteristică a noului Touareg este faptul că toate motoarele sunt oferite clienților, în dotarea standard, cu transmisie automată cu 8 trepte ceea ce conduce la o economie de carburant semnificativă, ajungând chiar la 2 litri/100 km.

Fig. 1.10: VW Touareg Hybrid

Noul Volkswagen Touareg este primul SUV din Europa ce va fi disponibil într-o versiune hibridă. Având un consum mediu de doar 8,2 litri/100 km, Touareg Hybrid stabilește un nou standard printre SUV-urile cu motor pe benzină. De asemenea și emisii de CO2 sunt scăzute, atingând valoarea de 193 g/km.

Sistemul hibrid a noului Volkswagen Touareg este format dintr-un motor V6 TSI, cu injecție directă de 333 CP, cuplat la o transmisie automată cu 8 trepte și un motor electric de 47 CP. Când cele două motoare lucrează împreună oferă 380 CP și un cuplu maxim de 580 Nm. Touareg Hybrid are o viteză maximă de 240 km/h și accelerează de la 0-100 km/h în doar 6,5 secunde.

Fig. 1.11: VW Touareg Hybrid

Comparativ cu un SUV convențional, de aceeași dimensiune și putere, Touareg Hybrid are un consum cu peste 25% mai redus în oraș. În modul combinat inginerii au calculat un consum îmbunătățit cu 17%.

E-Motor: În modul electric, vehiculul poate parcurge până la 50 km fără emisii poluante, motorul V6 TSI fiind oprit complet, precum și cutia de viteze automată cu opt trepte.

Coasting: Imediat ce șoferul eliberează accelerația, motorul V6 TSI este scos din transmisie. Acest lucru este posibil chiar și la viteze mari (până la 160 km/h) și astfel vehiculul „alunecă” pe o distanță mai mare.

Frânarea regenerativă: în timpul frânării, motorul electric – acum operând ca un generator – recuperează energiea electrică, stocată în baterii de înalt voltaj NiMH.

Sistemul Start-Stop integrat în grupul moto-propulsor îmbunătățește economia de carburant, în special în mediul urban, cu trafic aglomerat.

Fig. 1.12: Platforma utilizată pe modelul Touareg Hybrid

Citroen C4 Hybrid

Fig. 1.13: Citroen C4 Hybrid

Performantele mașinilor dotate cu aceste motoare (Peugeot 308 HDi si C4 Hybride HDi) reprezintă un important pas înainte in ceea ce privește reducerea consumului si a emisiilor de CO2. Totodată acestea oferă un confort de drum sporit șoferului in special in traficul urban.

Consumul mixt de combustibil al acestor mașini este de numai 3,4 l /100km, cu emisii de 90 g/km, ceea ce reprezintă un record pentru mașinile din clasa compactă. S-a constatat o reducere cu circa 25% fata de motoarele hibrid obișnuite, adică in jur de 1l/100km consum mixt.

La baza motoarelor hibride ale PSA sta motorul 1,6 HDi la care se adaugă un sistem de filtre de particule (DPFS) cuplat cu ultima generație a tehnologiei Stop & Start, un motor electric si bateriile de înalta tensiune. Transmisia este asigurata printr-o cutie de viteze manuala dirijata electronic SensoDrive.

Sistemul Stop & Start permite mașinilor Hybride HDi să pornească si sa ruleze chiar si in condițiile in care bateriile motorului electric sunt complet descărcate, fapt care diferențiază tehnologia PSA de hibridele obișnuite, care ar rămâne imobilizate într-o astfel de situație.

Fig. 1.14: Citroen C4 Hybrid

Motoarele Hybride HDi introduc o serie de trăsături inovative cum ar fi:

Recuperarea energiei cinetice in timpul frânarii

Funcționarea in modul full electric ZEV  (Zero Emission Vehicle) care elimina zgomotul si emisiile nocive ale mașinii complet la viteze de pana la 50km/h

De altfel, modul full-electric este cel pe care rulează mașina atunci când bateriile permit acest lucru. In ciclul extraurban motorul electric il completează  pe cel clasic oferind un plus de putere de pana la 35% atunci când este nevoie.

Noul motor Hybride HDi combina avantajele motoarelor clasice cu acelea ale motoarelor electrice, specifice condusului in ciclul urban.

2.3.1. Modelul Toyota Prius

Descriere

Toyota Prius, cel mai cunoscut model hibrid la nivel mondial, s-a vândut în 281.265 de exemplare in 2006, potrivit datelor companiei. În Republica Moldova, modelul Prius, comercializat din a doua jumătate a anului 2007, a înregistrat o creștere în vânzări, cumulând un total de 1.192 de exemplare produse între anii 2007-2017 pentru anul 2017. Prius a totalizat,numai pe parcursul anului 2017 a vândut 218,600 de unități vândute în întreaga lume, situându-se astfel pe primul loc în topul vânzărilor de mașini hibrid. Mai mult de jumătate dintre acestea au fost vândute pe piața din Japonia.

Toyota a fost prima companie producătoare de mașini care, în 1997, a lansat un model hibrid de serie: Toyota Prius,care cuprindea 323 de exemplare scoase pe piața din Japonia iar în anul 2000 își mărește exportul în America de Nord care procură 6000 de vehicule hibrid model Toyota Prius.

La modelul Prius produs de Toyota, termenul de hibrid se refera la faptul ca mașina are doua motoare: cel clasic pe benzina si unul electric care primește energie de la doua generatoare care sunt încărcate de motorul pe benzina.

Generatoarele pot fi încărcate cu energia cinetica degajata la frânare, energie care altfel s-ar pierde. Toyota Motor a vândut pe plan mondial, în primii zece ani, peste un milion de automobile hibrid,iar până în prezent circa 4.186.923 de modele. Oferta de modele hibrid produse de Toyota Motor Corporation include si gama Lexus hibrid, disponibila si pe piata moldovenească – GS450h, LS600h si RX 400h. Lexus RX400h este primul SUV hibrid din lume si de la lansarea din 2005 au fost vândute 107.129 exemplare. (2007)

Fig. 1.15 : Toyota Prius

Recunoscuta pentru tehnologia de ultima ora, puterea si performantele sale, Prius a obținut – printre altele – titlul de "Mașina Anului în Europa" în 2005. În plus, datorita tehnologiei hibride Toyota Synergy Drive, oferă eleganta si confortul unei mașini de familie si performantele ecologice ale unei mașini compacte. Fiecare detaliu al modelului Prius este proiectat având în vedere calitățile aerodinamice, calitatea si confortul. Conturul sau elegant caracterizează o mașină ce anticipează si satisface toate necesitățile șoferului. Designul aerodinamic permite obținerea unui coeficient aerodinamic de numai 0.26, făcând-o atât plăcuta ochiului, cât si eficienta pe sosea.

Designul compact, individual este așezat pe un șasiu cu salonul mărit, ce permite obținerea unui spațiu maxim pentru bagaje în interior, în același timp păstrând dimensiunile compacte ale exteriorului.

Principala caracteristica a modelului Prius este tehnologia hibrida ce propulsează mașina. experiența condusului este argumentata de manevrarea ușoară si răspunsul prompt, ceea ce face din condusul modelului Prius o adevărată plăcere.

Sistemul Hibrid Synergy Drive® nu este doar o versiune îmbunătățita a sistemului original hibrid Toyota (THS). Este un concept cu totul nou, care reprezintă soluția ideală pentru cei care vor sa îmbine plăcerea de a conduce cu impactul minim asupra mediului înconjurător. Un motor pe benzina, mai puternic, de 1.5 – litri funcționează alături de un motor electric mai mic si mai eficient, pentru a obține performante care fac din modelul Prius un adversar serios la Segmentul D. Într-adevăr, motorul electric este mai puternic decât cele mai multe motoare cu combustie interna de 1.0 până la 1.2-litri. La 400 Nm de la 0-1200 rpm, cuplul modelului Prius este mai mare decât al motorului V6 diesel. Ca rezultat, poate obține o accelerare de la 0 la 100 km/h sub 11 secunde, comparabil cu o mașină cu motor convențional diesel de2.0-litri.

Deoarece sistemul avansat de control hibrid folosește motorul electric ca sursa principala de putere, acesta asigura o ținută de drum excepțională. Accelerarea este mare, dar liniara, mai ales de la 50 la 80 km/h, în timp ce zgomotele si vibrațiile sunt minime.

Prius este una din cele mai ecologice si economice mașini aflate pe piața. Între mașinile cu motoare cu combustie interna, Prius este de departe cel mai puțin poluant, iar emisia de CO2 se situează la nivelul emisiei unei mașini compacte. Nivelele de emisii NOx si HC sunt mai joase decât cele ale oricăror alte motoare pe benzina, iar emisiile de particule poluante sunt reduse la zero. În total, emisiile nocive ale modelului Prius sunt cu 40% mai scăzute decât normele europene pentru 2005. De asemenea, sistemul hibrid Toyota Synergy Drive permite obținerea unei economii de carburant considerabile, de până la 40%. Uitați de chei – sistemul Inteligent de Acces si Pornire va permite sa descuiați mașina printr-o simpla atingere a mânerului ușii si pornirea acesteia printr-o simpla apăsare pe buton.

Motor, transmisie, frâne

Motorul pe benzina – Aluminum double overhead cam (DOHC) 16-valve VT-i 4-cylinder, cu sistem electronic de pornire – Toyota Direct Ignition (TDI); Putere 76 cai putere la 5000 rotații pe minut.

Motor Electric – Permanent magnet AC synchronous motor; Putere 67 cai putere la 1200-1540 rotații pe minut.

Bateriile pentru motorul electric – Sealed Nickel – Metal Hydride, Putere 28 cai putere (21 kW).

Suspensia: Fata: Independent MacPherson Strut cu bară stabilizatoare;

Spate: Torsion beam cu bara stabilizatoare.

Frânele: Fata – Discuri ventilate asistate electric;

Spate: Discuri cu Anti-lock Brake System si frâna regenerativa integrata.

Suita de component electronice ale sistemului de frânare este integrata in sistemul electronic de siguranța al mașinii si, in caz de urgent este coordonata de către acest sistem, împreuna cu restul elementelor. Sistemul pentru prevenirea blocării frânelor (ABS) ajuta la menținerea controlului in cazul unei frânari bruște sau pe carosabil alunecos, in timp ce sistemul electronic de distribuție a forțelor de frânare (EBD) suplimentează acțiunea acestuia prin optimizarea forțelor de frânare in caz de necesitate, iar sistemul de asistenta la frânare (BA) suplimentează forța de frânare. Prius dispune de stopuri de frâna cu led-uri ce se aprind mai repede, avertizându-i din timp pe ceilalți șoferi.

Principiul de funcționare

La viteza mica

Pana la o anumita viteza (mica) puterea este furnizata de către motorul electric alimentat de la baterii.

Fig. 1.16: Functionarea la viteza mica

Accelerare puternica

Puterea este furnizata in mod hibrid din ambele surse, adică se folosește atât de motorul electric alimentat din baterii si generator cat si cel pe combustibil.

Fig. 1.17: Funcționarea la accelerare puternica

Pe autostrada

In condiții de performanta maxima sursa de putere va fi exclusiv furnizata de către motorul pe combustibil.

Fig. 1.18: Funcționarea la deplasarea pe autostrada

Frâna sau decelerare

In timpul frânarii sau decelerării energia de mișcare se recuperată, motorul electric funcționând in regim de dinam, încărcând bateriile.

Fig. 1.19: Funcționarea in regim de frânare

La stop (fără mișcare)

Motorul pe combustibil este oprit in mod automat pentru economisire, iar motorul electric este in repaus urmând a fi pus in funcționare foarte rapid când se accelerează.

Fig. 1.20: Funcționarea la stop

Pentru a creste gradul de siguranță al vehiculelor sale, compania Toyota acționează simultan pe doua fronturi: siguranța activă si siguranța pasivă.

Conceptul de Siguranța Activă are ca obiectiv principal prevenirea accidentelor rutiere. Masurile de siguranță activa joaca si vor continua sa joace un rol din ce în ce mai important. Prin intermediul sistemelor electronice, sistemele de siguranța precum ABS, Controlul Tracțiunii,

Asistenta la Frânare sau sistemul de Control al Stabilității Vehiculului oferă șoferului un grad sporit de asistenta în cea mai mare parte a situațiilor si condițiilor de drum întâlnite.

Sistemul de Control al Stabilității Vehiculului

Sistemul de Control al Stabilității Vehiculului (VSC) conlucrează cu servodirecția electrica, acesta un cuplu optim pentru a ajuta șoferul sa manevreze volanul mai precis. Sistemul îmbunătățește timpii de reacție și reduce pericolul derapajului prin controlarea forței motrice si a celei de frânare in cazul unei opriri de urgență.

Fig. 1.21: Sistemul VSC

Un ansamblu de senzori comunica Modulului Electronic de Control (ECU) stările vehiculului si acțiunile pe care le întreprinde șoferul. Folosindu-se de aceste informații sistemul activează individual frânele si accelerația mașinii pentru a contribui la menținerea stabilității acesteia pe trasa.

Sistemul Toyota de Management Integrat al Parametrilor Dinamic ai Vehiculului(VDIM) este rezultatul integrării sistemului VSC cu cel de servodirecție asistata cu motor electric, cu Raport Variabil de Virare(VGRS) – o noua tehnologie cu grad de reactive adaptat solicitărilor.

VDIM este unic datorita următorilor factori : in primul rând, controlul este activat înainte ca vehiculul sa depășească o stare critica, mărindu-se astfel nivelul de siguranța (funcție de prevenire) ; in al doilea rând, sistemele componente sunt gestionate corect, conlucrând perfect.

Fiecare din subsistemele componente ale VDIM (Sistemul Pentru Prevenirea Blocării Roților la Frânare-ABS, de Control al Tracțiunii –TRC, de Control al Stabilității Vehiculului-VSC, VGRS si Servodirecția Asistata cu Motor Electric) sunt integrate pentru o interoperativitate maximă.

Sistemul VDIM integrează toate celelalte sisteme electronice de siguranța. Senzorii comunica o gama larga de parametri Modulului Electronic de Control – ECU – precum accelerația in direcția de mers, in marșarier sau accelerația laterala, viteza de rotație a roților, unghiul de inclinare al mașinii(raportul de inclinare fata de central d greutate al mașinii), unghiul de brasaj, gradul de deplasare al pedalei de accelerație si presiunea de frânare aplicata fiecărei roti, pentru ca acesta sa poată avea o imagine clara a parametrilor dinamici ai vehiculului.

Prin compararea acestor surse de informație, VDIM poate recunoaște intențiile șoferului si activează electronic, in mod adecvat, diversele sisteme de siguranța pentru a crea un răspuns mai prompt al mașinii la comenzile acestuia, si pentru a creste performanțele dinamice ale vehiculului.

Controlul Electric al Tracțiunii

Sistemul de Control Electric al Tracțiunii (E-TRC) reduce in mod automat puterea motorului daca este sesizata pierderea aderentei roților motrice la accelerare. De asemenea, asigura controlul frânarii pentru a asigura recâștigarea aderentei si a face accelerarea si frânarea mai controlabile.

Fig. 1.22: Sistemul E-TRC

Siguranța pasiva

In interior, Prius dispune de sisteme avansate de protecție a pasagerilor. Zonele frontale deformabile in caz de impact si pana la 8 airbag-uri (SRS in fata, lateral si perdea) asigura protecția pasagerilor. Centurile de siguranța ale locurilor din fata, cu pretensionare si limitatoare de forța, reduc probabilitatea rănilor la nivelul torsului in cazul uni accident.

Conceptul de Siguranța Pasiva, pe de alta parte, are ca obiectiv reducerea efectelor traumante asupra pasagerilor mașinii si pietonilor în cazul producerii unui accident. Au fost proiectate caroserii si sisteme de reținere inteligente. Astfel, au fost introduse sisteme de airbaguri laterale, frontale, la nivelul genunchilor si capului, precum si centuri de siguranța cu pretensionare si limitatoare de forța.

Fig. 1.23: Caroresia inteligenta

Toyota are ca obiectiv nu numai reducerea rânirilor ce pot provoca decesul, dar si o reducere semnificativa a celor ce pot avea ca efect rezultate permanente. În prezent sunt introduse sisteme avansate de airbaguri, ce oferă protecție ocupanților la nivelul genunchilor, torsului, soldurilor si abdomenului.

3.PARTEA PRACTIC-APLICATIVĂ: Calculul principalilor parametri ai autovehiculelor hibride

3.1. Adoptarea principalelor dimensiuni ale autoturismului

Autoturismul hibrid ales ca studiu in aceasta lucrare este propulsat de un motor termic cu aprindere prin scânteie având caracteristicile tehnice prezentate in tabelul 3.1, iar sarcina utilă fiind considerata de 500 (adică 5 persoane și bagaje) [1]:

Tabelul 3.1: Principalele caracteristici ale motorului cu aprindere prin scânteie

Parametrii geometrici generali ai autoturismului sunt prezentați în tabelul 3.2:

Tabelul 3.2: Principalii parametrii geometrici ai autoturismului

3.2. Stabilirea și repartizarea greutății pe punți

Masa totala a autoturismului

(3.1)

în care: – masa proprie a autoturismului;

– sarcina utila a autoturismului.

Coeficientul de utilizare a greutății

Reprezintă raportul dintre greutatea utilă și greutatea proprie a autoturismului.

(3.2)

Repartizarea greutății pe punți

Aceasta se face ținând cont de încărcarea punților (aproximativ 50% pe puntea față și 50% pe puntea spate), astfel [1]:

– masa proprie a punții față;

– masa proprie a punții spate.

Calculul poziției centrului de greutate în plan longitudinal

(3.3)

(3.4)

Fig. 3.1: Poziția centrului de greutate in plan longitudinal

3.3. Alegerea pneului și stabilirea razei dinamice

Conform calculelor făcute și respectând indicațiile constructorului, se aleg pneuri: 205/55 R16. Caracteristicile acestor pneuri sunt prezentate in tabelul 3.3:

Tabelul 3.3: Caracteristicile pneului

Determinarea razei dinamice

(3.5)

în care: – coeficientul de deformare a pneului.

Fig 3.2 Dimensiunile pneului

3.4. Determinarea caracteristicii externe a motorului

Caracteristica externă a motorului este absolut necesară pentru efectuarea calculului de tracțiune și pentru studiul performanțelor automobilului. Aceasta prezintă două puncte foarte importante :

puterea maximă la turația ;

puterea corespunzătoare cuplului maxim la turația .

În cazul în care nu se cunoaște caracteristica externă, ea poate fi calculată cu următoarele relații:

Curba puterii

(3.6)

Curba momentului

(3.7)

în care: – momentul corespunzător puterii maxime;

– viteza unghiulară;

– coeficienți, și se determină cu relațiile:

(3.8)

(3.9)

(3.10)

în care: – coeficientul de elasticitate.

Cu ajutorul coeficientului de elasticitate se poate determina turația de moment maxim:

(3.11)

Momentul maxim fiind:

(3.12)

Curba consumului specific

(3.13)

în care: – consumul specific minim al motorului.

Curba consumului orar

(3.14)

Valorile pentru caracteristica externă sunt date în tabelul 3.4.

Tabelul 3.4: Valorile caracteristicii externe

Fig. 4.3: Caracteristica externa a motorului

3.4.1. Stabilirea vitezei maxime

Viteza maximă este cea mai mare viteză stabilită de autovehicul la deplasarea pe un drum orizontal în treapta superioară de viteze. Pentru determinarea pe cale analitică, ecuația pentru determinarea vitezei maxime este:

v3max+ Avmax B = 0 (4.15)

în care: (4.16)

(4.17)

Coeficienții care au fost folosiți pentru determinarea acestor parametrii sunt:

– coeficientul de rezistență la rulare.

Se adoptă: .

– coeficient de rezistență al aerului.

Se adoptă: – coeficient de formă al autoturismului;

– densitatea aerului.

– randamentul transmisiei.

Se adoptă: .

Suprafața secțiunii transversale S, cu aproximație se determină cu relația:

(4.18)

Puterea la viteză maximă se alege din caracteristica externă (vezi tabelul 4.4):

Rezolvând ecuația (2.15) obținem:

(4.19)

Transformând în , obținem:

3.5. Eficacitatea folosirii combustibilului la autovehiculele de tip hibrid

Este nevoie de o folosire inteligenta a motorului electric si a celui cu ardere interna pentru a profita de atributele cheie ale celor doua surse de putere pentru a ne asigura ca mașina folosește cu eficacitate combustibilul.

La pornirea mașinii respectiv la viteze mici, sistemul hibrid folosește doar motorul electric, deoarece motorul clasic nu este așa eficient;

Oricum motorul cu ardere interna este mult mai eficient pentru rulare. Puterea produsa de motorul clasic e folosita pentru propulsie si totodată pentru a genera energie pentru a încarcă bateria;

La decelerare sau frânare, sistemul hibrid folosește energia cinetica, așa ca de la roti se transmite energia către generatorul electric si astfel se regenerează energia si se încarcă bateria.

3.5.1 Pornirea

Folosirea avantajului ca motorul electric poate funcționa la turații reduse la pornire:

Când mașina va porni, sistemul hibrid folosește doar motorul electric, alimentat de baterie, in timp ce motorul clasic rămâne oprit. Motorul cu ardere interna nu poate produce cuplu îndeajuns la turații reduse, in comparație cu motorul electric, astfel autovehiculul va avea o pornire lina dar si puternica.

Fig. 4.1: Pornirea autovehiculului hibrid

3.5.2. Rularea la viteze mici si medii

Rularea cu utilizarea eficienta a energiei:

Un motor cu ardere interna nu este eficient la folosirea la viteze mici si medii. Pe de alta parte, un motor electric este foarte potrivit la folosirea in acest mediu. Astfel sistemul hibrid folosește energia electrica depozitata in baterie pentru a propulsa mașina cu ajutorul motorul electric. In cazul in care bateria este descărcata, motorul clasic va porni si va transmite putere către roti si generatorul de energie electrica.

Fig. 4.2: Rularea la viteze mici autovehiculului hibrid

3.5.3. Rularea

Pentru o rulare economica, se folosește MAI ca sursa principala de putere

Sistemul hibrid folosește motorul clasic pentru intr-o zona de viteze la care operează cu o buna eficacitate de energie. Energia produsa de MAI e folosita pentru a antrena autovehiculul direct, însă in funcție de energie necesara o parte din putere este transmisa către generator. Energia electrica produsa de generator e folosita pentru a alimenta motorul electric care poate fi o rezerva de putere. Pentru a folosi eficient sistemul dual de transmitere a puterii energia produsa de MAI e transmisa către roti cu maxima eficacitate.

Fig. 4.3: Rularea autovehiculului hibrid

3.5.4. Rularea/ Reîncărcare

Reîncărcarea bateriei cu surplusul de energie

Deoarece sistemul hibrid folosește motorul cu ardere interna la performanta maximala, e posibil ca sa se producă mai multa energie decât e necesar pentru a propulsa autovehiculul. In acest caz, surplusul de putere e transformat in energie electrica de către generator si acumulat in baterie.

Fig. 4.4: Reîncărcarea autovehiculului hibrid

3.5.5. Accelerația maxima

Doua surse de putere

Când o accelerație ferma e necesara ( pentru urcarea unei rampe abrupte sau pentru o depășire), energia din acumulator e transmisa motorului electric pentru a suplimenta puterea. Combinând puterea motorului MAI cu motorul electric, sistemul hibrid generează o putere demna de o mașina cu un motor mult mai puternic.

Fig. 4.5: Accelerația maxima a autovehiculului hibrid

3.5.6. Decelerație/ Regenerarea energiei

Energia folosita la frânare e recuperata

La frânare sau la rularea fără apăsarea pedalei de accelerație, sistemul hibrid folosește energia cinetica a autovehiculului pentru a antrena motoarele electrice, care funcționează acum ca generatoare. Energia care de altfel s-ar pierde ca si căldura datorata fricțiunii, la decelerare e transformata in energie electrica recuperata in baterie pentru a fi folosita apoi.

Fig. 4.6: Recuperarea energiei din frânare a autovehiculului hibrid

3.5.7. Staționarea

La staționare nu se irosește energie

Motorul cu ardere interna, motorul electric si generatorul se opresc automat, când mașina staționează. Nu se folosește energie la ralanți.

Fig. 4.7: Staționarea autovehiculului hibrid

CONCLUZII

Mașinile hibride (Hybrid cars) se referă la autovehicule care funcționează cu două tipuri de motoare, unul electric, și unul clasic, cu combustie internă. Folosirea celor două motoare alternează, și este aleasă automat de către computerul de bord. Toyota și Honda sunt doi dintre cei mai cunoscuți producători de hibride din lume.

În cazul Toyota, la pornirea mașinii intră în acțiune motorul pe combustie internă, care se oprește destul de repede(după ce se încălzește), lăsând loc motorului electric. Mașina funcționează pe curent electric dacă se pleacă ușor de pe loc (fără accelerări bruște), și poate continua să funcționeze doar pe curent electric chiar și până la viteza de 45km/h dacă se accelerează lent. Astfel, la viteze mici, se poate considera că ești la volanul unei mașini 100% electrice. Atunci când viteza crește peste această limită, sau mașina are nevoie de mai multă putere, intră în acțiune motorul pe benzină.

În cazul hibridelor Honda, o dată pornită mașina, motorul pe combustie internă funcționează până la prima decelerare/oprire(de exemplu primul semafor), moment în care se oprește, astfel la fiecare frânare a mașinii, se economisește benzină, mașina funcționând doar pe curent electric până în momentul în care se ridică piciorul de pe pedala de frână, sau se accelerează pentru plecarea de pe loc; în funcție de cât de puternic este apăsată pedala de accelerație, computerul de bord alege câtă putere să utilizeze din motorul pe combustie, și câtă din cel electric.

La mașinile hibride, motorul pe benzină asigură mișcarea roților, cât și alimentarea bateriilor cu energie electrică; de asemenea, printr-un sistem denumit Regenerative Braking, energia cinetică din timpul frânării, în loc să se piardă sub formă de căldură (cum se întâmplă în cazul mașinilor obișnuite), este convertită în energie electrică și stocată în bateriile care alimentează motorul electric. Computerul de bord monitorizează în permanență nivelul de încărcare al bateriilor, astfel încât nu există posibilitatea să rămâi fără curent; bateriile nu sunt lăsate niciodată să se descarce sub 40% din capacitate, dar nici să se încarce peste 60%; producătorii de hibride care folosesc aceasta tehnologie, susțin că în acest fel bateriile vor avea o viață de aproximativ două sute de mii de kilometri.

Este nevoie de o folosire inteligenta a motorului electric si a celui cu ardere interna pentru a profita de atributele cheie ale celor doua surse de putere pentru a ne asigura ca mașina folosește cu eficacitate combustibilul.

La pornirea mașinii respectiv la viteze mici, sistemul hibrid folosește doar motorul electric, deoarece motorul clasic nu este așa eficient;

Oricum motorul cu ardere interna este mult mai eficient pentru rulare. Puterea produsa de motorul clasic e folosita pentru propulsie si totodată pentru a genera energie pentru a încarcă bateria;

La decelerare sau frânare, sistemul hibrid folosește energia cinetica, așa ca de la roti se transmite energia către generatorul electric si astfel se regenerează energia si se încarcă bateria.

Avantajele mașinilor hibrid

mașinile hibride trebuie alimentate doar cu combustibil, nu și curent electric;

curentul electric pe care îl folosesc este produs în mers, de motorul pe combustie și de asemenea din energia frânării;

atunci când pui frâna, bateria se alimentează cu energie electrică;

computerul calculează când să alimenteze bateriile cu energie, și când să folosească energia din baterii pentru a alimenta motorul electric;

mașinile hibride au un ecran (display) pe bord care pe lângă faptul că arată în permanență, și în timp real, ce consumă mașina (benzina sau curent electric), te poate ajuta să conduci în așa fel încât să consumi cât mai puțină benzină;

Toyota Prius este unul din modelele hibride cu un astfel de monitor, care îți arată exact cum reacționează mașina, la modul tău de a conduce (accelerare, decelerare, frânare etc);

computerul de bord calculează automat când să folosească ambele motoare, când să folosească doar motorul pe combustie internă, și când să utilizeze motorul electric pentru a economisi benzină, astfel, se pot obține performanțe foarte mari legate de consumul de combustibil la suta de kilometri;

fac zgomot mai puțin decât o mașină clasică;

mașinile hibrid nu necesită o infrastructură specială (stații de alimentare speciale), putând fi folosite oriunde există pompe de benzină obișnuite;

atunci când mașina este oprită, de exemplu la semafor, poate funcționa doar pe energie electrică, fără consum de benzină, și deci fără poluare;

alimentarea motoarelor electrice din mașinile hibride se poate face prin mai multe surse: de către motorul cu ardere internă, din energia frânării (sistemul regenerative braking), prin convertirea energiei solare (panouri solare pe mașina) și prin alimentare de la rețeaua de curent pentru modelele Plug-In (priză obișnuită sau o stație de încărcare rapidă);

deși motoarele pe combustie internă folosite nu sunt foarte puternice, datorită existenței motorului electric care intervine atunci când este nevoie, mașinile hibride au performanțe comparabile cu o mașină clasică (în ceea ce privește accelerație, putere etc);

modul în care este condusă o mașina hibrid poate contribui foarte mult la consumul de carburant, putându-se ajunge chiar la performanțe de sub 3.5l benzină/100km. [12]

Dezavantajele mașinilor hibrid

în primul sfert de ora de la pornire consumul este mai mare dacă afară este frig;

faptul că mașinile sunt foarte silențioase la viteze mici, mai ales când utilizează doar motorul electric, pot fi periculoase în orașe, din cauza faptului că nu sunt sesizate ușor de către pietoni, persoane cu probleme de vedere, bicicliști etc., iar pentru a rezolva această problemă, modelul Chevrolet Volt are un sistem electronic de avertizare sonoră;

mașinile hibride nu rezolvă problema utilizării combustibililor fosili, ele se bazează tot pe benzină, contribuind astfel la epuizarea acestor resurse neregenerabile;

arderea benzinei într-un motor cu combustie înseamnă poluare, deși în cazul mașinilor hibride poluarea atmosferică este mai mică decât la mașinile clasice, aceasta încă există.