FAC ULT ATE A DE AUTOVE HIC ULE RUTIE RE , ME C ATRONIC A si ME C ANIC A [606310]

UNIVE RSIT ATE A TE HNIC A
FAC ULT ATE A DE AUTOVE HIC ULE RUTIE RE , ME C ATRONIC A si ME C ANIC A
Anexa 1

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ – NAPOCA
FACULTATEA DE AUTOVEHICULE RUTIERE,
MECATRONICĂ ȘI MECANICĂ
SPECIALIZAREA: …………………

PROIECT DE DIPLOMĂ/
LUCRARE DE DISERTAȚIE

UNIVE RSIT ATE A TE HNIC A
FAC ULT ATE A DE AUTOVE HIC ULE RUTIE RE , ME C ATRONIC A si ME C ANIC A

Absolvent: [anonimizat]

2019

Anexa 2

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ – NAPOCA
FACULTATEA DE AUTOVEHICULE RUTIERE,
MECATRONICĂ ȘI MECANICĂ
SPECIALIZAREA: …………………

UNIVE RSIT ATE A TE HNIC A
FAC ULT ATE A DE AUTOVE HIC ULE RUTIE RE , ME C ATRONIC A si ME C ANIC A
PROIECT DE DIPLOMĂ/
LUCRARE DE DISERTAȚIE

denumirea temei

Conducător: Absolvent: [anonimizat]. Prenume N UME Prenume NUME

2019

Anexa 3

UNIVE RSIT ATE A TE HNIC A
FAC ULT ATE A DE AUTOVE HIC ULE RUTIE RE , ME C ATRONIC A si ME C ANIC A
UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ – NAPOCA
FACULTATEA DE AUTOVEHICULE RUTIERE, MECATRONICĂ ȘI MECANICĂ
DEPARTAMENTUL: …………………………………………………………..

PROIECT DE DIPLOMĂ/
LUCRARE DE DISERTAȚIE

Numele și prenumele absol ventului :………………………………………………………….
Secția și forma de învățământ :……………………………………………………………….
Tema proiectului de diplomă/lucrării de disertație
……………………………………………………………………………………………………………
.…………………………………………………………………………………………………
Locul de documentare ………………………………………………………………………….
Conducătorul proiectului :…………………………………… ……………………………….
Consultanți de specialitate :……………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………
Data primirii temei :……………………………………………………………… ……………..
Data predării :.………………………………………………………………………………….

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC: ABSOL VENT :

Prof. dr. ing. Prenume NUME Prenume NUME

UNIVE RSIT ATE A TE HNIC A
FAC ULT ATE A DE AUTOVE HIC ULE RUTIE RE , ME C ATRONIC A si ME C ANIC A
Notă: Toate drepturile de autor privind proiectul de diplomă/lucrarea de disertație , multiplicarea pe or ice cale, traducerea
unei părți sau a întregii lucrări, precum și valorificarea sub orice fo rmă a conținutului și ideilor cuprinse în proiect, sunt
atribute exclusive ale UNIVERSITĂȚII TEHNICE DIN CLUJ -NAPOCA.

Anexa 4

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ – NAP OCA
FACULTATEA DE AUTOVEHICULE RUTIERE, MECATRONICĂ ȘI MECANICĂ
DEPARTAMENTUL: ………………………………………………..

Fișa absolvent: [anonimizat]/lucrării de disertație
februarie / iulie / septembrie 2019

Numele și prenu mele

Titlul proiectului de
diplomă/lucrării de
disertație

Numele și prenumele Data la care student: [anonimizat] , ME C ATRONIC A si ME C ANIC A
Anexa
UNIVERSITATEA TEH NICĂ DIN CLUJ – NAPOCA
FACULTATEA DE AUTOVEHICULE RUTIERE, MECATRONICĂ ȘI MECANICĂ
DEPARTAMENTUL: ………………………………………….
Sesiunea: februarie / iulie / septembrie 2019
Director Departament,
Prof. dr. ing. Prenume NUME

RECENZIE

Asupra proiectului de diplomă /lucrării de disertație cu titlul ……………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………….. ……… ………………….. …
…………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………..
.

Elaborat de absolventul ……………………………………. ………………….. ………………………………………………

Conținutul proiectului:
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………….. ……..

Perioada de documentare și pregătire a proiect ului:
…………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………..
…………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………..
Aspecte pozitive:
…………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………..
………………………………………………………………………………………………………………………… ………………….
………………………………………………………………………………………… …………………………………………………
Aspecte negative:

UNIVE RSIT ATE A TE HNIC A
FAC ULT ATE A DE AUTOVE HIC ULE RUTIE RE , ME C ATRONIC A si ME C ANIC A
…………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………..
………………. …………………………………………………………………………………………………………………… ………
Contribuții personale ale autorului:
………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………..
………………………………………………….. ………………………………. ……………………………………………………….
Posibilități de valorificare a proiectului:
……………………………………………………………………………………………….. ………………………………. ………….
………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………
………………………………………. ………………………………. ………………………………………………………………….
Se propune admiterea / respingerea proiectului pentru susținere publică.

Conducător : Prof. dr. ing. Prenume NUME

Anexa 6
Declarație pe proprie răspundere privind
autent icitatea proiectului de diplomă/ lucrării de disertație

Subsemnatul ________ _________________________________________________ ,
legitimat cu ________________seria ________nr. ___________________________,
CNP _______________________________________________ ____autorul lucrării:
_______________________________________________________ ________________
_____________________________________ __________________________________
elaborată în vederea susținerii examenului de finalizare a studiilor de ________________
la Facultatea______________________________, Specializarea ___________________ ______ din
cadrul Universității Tehnice din Cluj -Napoc a, sesiunea ___________a anului universitar
__________, declar pe proprie răspundere, că această lucrare este rezultatul propriei activități
intelectuale, pe baza cercetărilor mele și pe baza informații lor obținute din surse care au fost citate,
în textul lucrării, și în bibliografie.
Declar, că această lucrare nu conține porțiuni plagiate, iar sursele bibliografice au fost folosite
cu respectarea legislației române și a convențiilor internaționale privind drepturile de autor.

UNIVE RSIT ATE A TE HNIC A
FAC ULT ATE A DE AUTOVE HIC ULE RUTIE RE , ME C ATRONIC A si ME C ANIC A
Declar, de asemenea, că acea sta lucrare nu a mai fost pre zentată în fața unei alte comisii de
examen de licență /diplomă/ disertație .
De asemenea, declar că sunt de acord ca proiectul de diplomă/lucrarea de disertație să fie
verific ată prin orice modalitate legală pentru confirmarea originalității , consimțind inclus iv la
introducerea conținutului său într -o bază de date în acest scop.
În cazul constatării ulterioare a unor declarații false, voi suporta sancțiunile administrative,
respectiv, anularea examenului de licență /diplomă/ disert ație.
Lucrarea conține : ____ p agini, ____ tabele, ____ schițe și diagrame. Anexa cu desene conține
____formate A0, ____formate A1, ____ formate A2, _____formate A3, _____ formate A4. Proiectul
are anex ate și: ______ CD/DVD -uri
Nume, prenume
______________ _________________
Data
________ _____________ Semnătura

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Rezumat RO

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Rezumat EN

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Cuprins

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Lista de abre vieri

VE – Vehicul electric
ME – Motor electric
MAI – Motor cu ardere internă
CC – curent continuu
MAS – Motor cu aprindere prin scânteie
MAC – Motor cu aprindere prin comprimare
CA – curent alternativ
SMB – Sistem de management al bateriei
CAN – controller area netw ork

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Capitolul I. Introducere

1.1. Considerații generale
Dorința primordială a umanit ății pentru libertatea de mobilitate a facilitat ritmul rapid de
dezvoltare a industriei de automobile. Comoditatea mobilității personale vine cu prețul ridicat al
epuizării resurselor naturale și degradarea mediului din cauza p oluării aerului. Principalii
contribuabil i la poluarea aerului sunt industria de prelucrare și industria transpo rturilor , antrenată
de motoare cu ardere internă (MAI). Aceste motoare ard res urse neregenerabile precum petrol și
gaz natural pentru a genera energie.

Dorința primordială a uma nității pentru libertatea de mobilitate a facilitat rapiditatea
creșterea industriei de automobile înainte de vârsta tehnologică actuală [1]. Comoditatea
mobilității personale are un preț ridicat, cum ar fi epuizarea resurselor naturale și degradarea
mediu lui din cauza poluării aerului. Principalii contribuabili la poluarea aerului nu sunt numai
industria prelucrătoare, ci și automobilele alimentate cu motoare cu combustie internă (IC). Aceste
motoare ard resurse neregenerabile cum ar fi petrolul și gazele naturale pentru a genera energie [2 –
5]. De asemenea, emisiile de gaze cu efect de seră, cum ar fi dioxidul de carbon (CO2), metanul
(CH4) și oxidul de azot (N2O) sunt emise de aceste automobile ca produs secundar al procesului
de ardere [6 -8]. Se știe că C O2 este o cauză majoră a încălzirii globale, deoarece este cea mai
răspândită din GES, așa cum se arată în Figura 1 -1 [7]. Încălzirea globală este fenomenul în care
temperatura medie globală a crescut cu 1,1 ° C în ultimul secol și se preconizează că va cr ește cu
0,3 ° C până la 4,8 ° C în următorul secol. Fluctuațiile temperaturii medii globale ar putea contribui
la ciclul natural al ciclului natural care se poate traduce în schimbări mari și potențial periculoase
ale climei, punând astfel în pericol toată viața de pe Pământ [9].
1.2. Motivația alegerii temei

1.3. Conț inutul lucrării

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Capitolul II. Stadiul actual al vehiculelor electrice și
hibride

2.1. Vehiculele electrice și hibride
2.1.1. Definiție

Un vehicul electric (VE) cu baterie est e un vehicul care utilizează energia chimică stocată
în acumulatori reîncărcabili. VE folosesc motoare electrice (ME) în locul motoarelor cu ardere
internă (MAI) sau în plus față de acestea. Acele vehicule care folosesc atât ME cât și motoare
termice se nu mesc vehicule hibride și, de obicei, nu sunt considera te VE pure. Vehiculele hibride
cu baterii ce pot fi încărcate fără a utiliza MAI sunt cunoscute sub numele de ”plug -in” hibrid și
pot fi considerate VE pure atât timp cât nu ard combustibil.
VE au o ef iciență energetică mai mare, comparativ cu a vehiculel or cu motoare ce ard
combustibili fosili. VE nu generează emisii poluante, nu poluează dacă sunt reîncărcate folosind
energie electrică provenită din surse regenerabile. VE sunt mai silențioase decât au tovehiculele
clasice. De asemenea, p rogresele tehnolog iei acumulatorilor au re mediat o bună parte din
neajunsurile legate de costuri, autonomie limitată, timp de încărcare, durata de viață a bateriei, etc.
Vehiculele hibride sunt o combinație de electric și combustibil fosil. Elementul electric
al aut ovehic ulului este folosit pentru a asista motorul termic, în special la viteze mici, acolo unde
motorul termic este ineficient. Acest tip de autovehicul este folositor în oraș, unde viteza medie de
deplasare este scăzută. Elimină, de asemenea, emisiile datorate ambuteiajelor, atunci când motorul
ar fi menținut în funcțiune [1].

2.1.2. Clasificarea vehiculelor electrice și hibride

Termenul de vehicul electric sau vehicul încărcat electric se referă, de obicei, la ori ce
vehicul care este alimentat, parțial sau în întregime, de o baterie ce poate fi conectată direct la
rețeaua electrică [2]. VE pure sunt vehicule electrice alimentate numai de o baterie. În prezent
majoritatea producătorilor de autovehicule oferă mașini pur electrice cu o a utonomie medie de
aproximativ 200 kilometri [3].
Vehiculele electrice de tip ”plug -in” hibrid dispun de un motor electric și , de asemenea,
de o autonomie a bateriilor de mai mult de 16 kilometri . După epuizarea en ergiei provenite de la

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

acumulatori, autovehiculul revine la beneficiile sistemului hibrid, u tilizând atât energia provenită
de la baterii cât și cea de la MAI, fără a compromite autonomia.
Așa numitele vehicule electrice ”extended range” (cu autonomie ex tinsă) sunt similare
cu VE, dar au o autonomie a baterie i mai mică, de aproximativ 80 kilome tri. Cu toate acestea,
autonomia es te extinsă cu ajutorul unui MAI ce antrenează un generator [2].
Există o multitudine de variații de tipuri și configurații de VE, acestea fiind prezentate în
tabelul de mai jos [2].

Tabelul 2.1 Rezumat al tipurilor de vehicule electrice și hibride
Vehicul electric, V ehicul
încărcat electric Termeni generici pentru vehicul alimentat parțial sau integral,
de o bate rie care poate fi conectată la rețea
Vehicul electric pur Un vehicul alimentat numai de o baterie încărcată de la
rețeaua electrică (autonomie de aproximativ 200 k ilometri)
Vehicul electric ”plug -in”
hibrid Un autovehicul cu un acumulator ce poate fi înc ărcat la
rețeaua electrică (autonomie de 16 până la 50 kilometri ) și un
motor cu ardere internă
Vehicul electric cu autonomie
extinsă (”extended – range”) Un auto vehicul alimentat de o baterie (autonomie de până la
80 kilometri) care dispune de un genera tor antrenat de un
MAI.
Vehicul electric hibrid
(Normal/Paralel/Standard) Un vehicul hibrid este propulsat de un motor electric
alimentat de un acum ulator și un MA I. Sursa de ali mentare
este selectată automat de către autovehicul, în funcție de
sarcină, v iteză și starea de încărcare a bateriei. Bateria este
reîncărcată cu ajutorul frânării regenerative suplimentată de
energia produsă de MAI.
”Mild” hibrid (Hibrid blând) Un vehicul hibrid blând nu poate fi încărcat de la rețea sau
antrenat exclusiv de ene rgia bateriilor. Acest sistem
recuperează energie în timpul frânării și o refolosește în
timpul accelerărilor.
Micro hibrid Un vehicul micro hibrid folosește un s istem start – stop și
frânarea regenerativă pentru a încărca bateria de 12V.
Hibrid Start -stop Un sistem start – stop oprește motorul atunci când vehiculul
staționează. Un demaror îmbunătățit este folosit pentru a
susține numărul crescut de porniri ale MAI

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

2.1.3. Scurt istoric al evoluției vehicul elor electric e și hibride

VE alimentate de ac umulatori cu plumb și propulsate de motoare de curent continuu (CC)
au concurat cu vehiculele cu MAI încă din anii 1890. VE nu aveau probleme le legate de pornire
de care MAI sufereau, la vremea respectivă, și nu produceau emisii poluante. De asemenea,
autonomia redusă a VE nu era neapărat o problemă deoarece sistemul rutier nu era dezvoltat, iar
deplasarea pe distanț e lungi nu era confortabilă. Î n America anilor 1900 , vânzările de motoare cu
aprindere prin scânteie (MAS) erau comparabile cu cele ale VE, îns ă în următorul deceniu
vânzările de VE se vor prăbuși. Interesant este faptul că vânzările de VE în Europa din această
perioadă au fost slabe, deoarece producători i auto francezi și ge rmani, cum ar fi Renault, Peugeot,
Daimler și Benz, au fost lideri la n ivel mondial în dezvoltarea MAI. Dominația MAI urma să fie
consacrată cu două dezvoltări majore. Prima a fost rev oluționarea producției în masă de către
Henry Ford , prin introducerea modelului Model T , ceea ce a dus la scăderea prețului
autovehiculelor cu motoare termice cu mult față de competitorii lor electrici. Cu toate acestea,
vehiculele cu MAI încă aveau nevoie de o manivelă manuală pentru a putea porni motorul [4].
Cea de -a doua evoluție majoră a fost eliminarea pornirii motorulu i cu manivela manuală
prin invenția lui Charles Kettering . Acesta a inventat demarorul electric fiind introdus prima dată
în 1912 de Cadillac. Pe măsură ce autovehiculele pe benzină cu demaro r au proliferat, la fel și
infrastructura rutieră. Evoluția vehic ulelor electrice nu au putut ține pasul datorită prețului ridicat
și autonomiei scăzute, acestea încetând să mai fie relevante [4], [5] .
Anul 1922 a fost introdus pe piață motorul cu aprindere prin comp rimare (MAC), 32 de
ani după ce a fost inventat de către Rudolf D iesel în 1890, ca un motor mai eficient comparativ cu
MAS . Caracteristica lui de cuplu ridicat la turații joase a făcut ca motorul diesel să fie preferat
pentru vehiculele medii și grele din întreaga lume. În ultimul timp, fiind și o opțiune pentru
vehicul e ușoare, în special în Europa, datorită emisiilor sale reduse de carbon, comparativ cu
benzina [4].
La sfârșitul anilor 1980, General Motors (GM) a decis să dezvolte un VE. Prototipul
inițial, cunoscut sub numele de Impact, a fost dezvoltat în California, iar GM s -a angajat să prod ucă
în masă autovehiculul. Vehiculul care urma să fie cunoscut ca GM EV1 a fost proiectat și produs
în fabricile din Michigan și California și a debutat pe piață în anul 1996. A fost un model
revoluționar, deoarece a inclus multe dintre tehnologiile pe care ,astăzi, le considerăm obișnuite.
Folosea un ME de curent alter nativ (CA ) cu inducție performant, caroseria era construită din
aluminiu, pentru reducerea masei și avea o formă aerodinamică, cu cel mai bun coeficient
aerodinamic al vremii respective. Acesta a introdus servo -direcția și frânare asistată electric,

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

încălz irea și r ăcirea ha bitaclului electrică. De asemenea, EV1 oferea un sistem de diagnoză
extensiv, o caracteristică care este folosită acum la majoritatea vehiculelor [2], [4].
Cu toate acestea, GM EV1 a ajuns pe piață alimentat de baterii cu plumb, o tehnologie
care a înregistrat progrese limitate. A doua generație GM EV1 a fost echipată cu baterii NiMH
(hidrură de nichel metal) ce a dublat autonomia primei generații. Însă, mai mulți factori precum
tehnologia limitată a acumulatorilor, prăbușirea prețului benzinei, lipsa cererii consumatorilor
pentru tehnologii ecologice și eficiente energetic, lipsa de sprijin guvernamental și apariția
vehiculelor hibride au dus la diminuarea ef ortului de dezvoltare a VE [2], [4] .
La începutul anilor 1990, Toyota Motor Company a concluzionat, privind în perspectivă,
că este necesară o eficientizare a trans portului (prin electrificare și depoluare). Toyota a
comercializat pentru prima dată modelul Toyota Prius în 1997 în Japonia. Veh iculul dispunea de
un MAS foarte eficient bazat pe ciclul Atkinson și un motor electric ce completa limitările
motorului termic . Au fost implementate și sistemele start -stop și controlul turației de ralanti [4].
Principala limitare a VE în epoca industrială a fost bateria. Eforturile semnificative de
dezvoltare a bateriilor în anii 1970 s -au concertat asupra bateriei cu litiu. John Goodenough a fost
creditat cu dezvoltarea primei celule litiu -ion(Li -ion) în 1979. Tehn ologia a fost comercializată de
Sony Corporation în 1991, devenind astfel tehnologia de bază a bateriilor pentru telefoane mobile
și laptopuri datorită densității sale mare de energie (de trei până șa cinci ori mai mare comparativ
cu cea a bateriilor cu pl umb) și a voltajului [4].
Alan Cocconi și Wally Rippel, pionierii GM Impact, au format o co mpanie cunoscută ca
AC Propulsion și au continuat să lucreze în domeniul VE. La începutul anilor 2000 aceștia au
dezvoltat un prototip (tzero). Atributul unic al acestui prototip a fost sursa energetică alcătuită
dintr -un număr mare de baterii Li -ion de la ptop, oferind o autonomie suficientă, demonstrând în
același timp eficiență și performanță ridicată.
Tesla Motors a fost fondată în Silicon Valley, iar primul vehicul de la Tesla a fost Tesla
Roadster în 2007. Tesla Roadster a fost primul autovehicul ele ctric produs în masă. Acumulatorul
era alcătuit din 6831 de celule Li -ion Panasonic 18650. Tesla a construit pe succesul Roadster -ului
cu introducerea ulterioară a Modelului S (în 2012), Model X (în 2015) și Model 3 (în 2017).
Nissan Leaf a fost introdus în 2011, iar Nissan a devenit cel mai mare vânzător de VE.
Având un preț cu mult mai scăzut comparativ cu Tesla, făcându -l mai atractiv din punct de vedere
financiar, în ciuda faptului că avea o autonomie mult mai mică. Pe măsură ce prețul bateriilor a
continuat să scadă au continuat să apară pe piață VE precum Chevy Bolt (2016) cu autonimii de
aproximativ 300 kilometri [4].

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

2.1.4. Particularități constructive ale autovehiculelor electrice și hibride
2.1.4.1. Arhitectura autovehiculelor electrice
Arhitectura de bază a VE este, în esență, simpl ă și este prezentat ă în figura 2.1. Vehiculul
este alcătuit dintr -o sursă energetică (baterie, acumulator), motor și un controler. În mod normal,
bateria este reîncărcată de la rețeaua electrică prin intermediul unui conector și o unitate de
încărcare a bateriei, care poate s ă aparțină VE sau parte a punctului de încărcare. Controlerul va
controla cantitatea de energie electrică ce alimentează ME și, prin urmare, viteza vehiculului. Este
de dorit a se folosi frânarea regenerativă atât pentru recuperarea energiei, cât și ca o f ormă
convenabilă de frânare fără frecare [6].
VE depind numa i de energia stocată în baterie, prin urmare autonomia lor depin de în mod
direct de capacitatea acumulatorului. În mod obișnuit, pot parcurge 100 – 250 kilometri cu o
singură încărcare, în timp ce modelele de vârf pot rula mult mai mult, în medie între 300 și 500 de
kilometri. În mare parte, autonomia depinde de stilul de condus, configurația autovehiculului,
condițiile climatice, traseu, tipul bateriei și vechimea acesteia. O dată epuizat, reîncărcarea
acumulatorului durează destul de mult, în comparație c u realimentarea vehiculelor convenționale.
Timpul de încărcare variază în funcție de tipul de încărcător, infrastructura de încărcare și
dimensiunile bateriei. În unele cazuri o reîncărcare completă poate dura până la 36 de ore [7].

Fig. 2.1 Arhitectura de bază a vehiculelor electrice [8]

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

2.1.4.2. Arhitectura autovehiculelor hibride
Un vehicul hibrid are două sau mai multe surse de putere, oferind un număr mare de
posibile configurații. Cele mai frecvente tipuri de vehicule hibride combină un MAS cu o baterie,
un ME și un generator. Există trei mari arhitecturi de bază (Figura 2.2) pentru vehiculele hibride:
▪ hibridul serie;
▪ hibridul paralel ;
▪ hibrid cu putere împărțită (”power split”) .

Fig. 2.2 Arhitecturile de bază ale vehiculelor hibride [2]

În configurația hibrid serie, autovehiculul este propulsat de unul sau mai multe motoare
electrice alimentate direct fie de la baterie, fie de la generator (antre nat de motorul termic), sau de
la ambele. În configurația hibrid paralel, autovehiculul poate fi propulsat fie de motorul termic ce
transmite momentul motor prin intermediul transmisiei direct la roți, sau fie atât de motorul termic
cât și de motorul elec tric în același timp [6].
Pe baza celor trei arhitecturi de bază, producătorii de autovehicule au dezvoltat diferite
sisteme precum:
▪ hibrid paralel cu un ambreiaj;
▪ hibrid paralel cu două ambreiaje;
▪ hibrid paralel cu transmisie cu dublu ambreiaj;
▪ hibrid paralel împărțit între punți;
▪ hibrid serie;
▪ hibrid serie – paralel;
▪ hibrid cu putere împărțită [2].

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Atât modelele hibride serie cât și c ele paralel permit frânarea regenerativă, motorul
electric funcționând ca un generator, acțion ând simultan la încetinirea autovehiculului și
reîncărcarea acumulatorului [6].
Modelele hibrid serie sunt utilizate în mod tradițional numai în aplicații specializate. De
exemplu, majoritate a locomotivelor diesel aparțin acestei categorii, la fel ca și unele nave. Unele
vehicule speciale , de teren , sunt hibride se rie, având câte un m otor electric , controlat separat , pe
fiecare roată. Principalul dezavantaj al acestor modele este faptul că momentul motor al MAI nu
poate fi transmis direct la roți, motorul termic având doar rol de a antrena generatorul, care la
rându l său pune în mișcar e ME [6].
Modelul hibrid paralel, pe de altă parte, are o pl ajă foarte largă de aplicații. ME pot fi
mult mai mici și implicit mai ieftine. Există diverse moduri în care poate fi utilizat un vehicul
hibrid paralel. În cel mai simplu mod, acesta poate funcționa cu en ergie electrică din baterii atunci
când este în or aș, unde emisiile de gaze nu sunt de dorit sau alt ernativ, în afara orașului poate
funcționa doar motorul termic. Și mai util, un vehicul paralel hibrid poate utiliza atât motorul
termic cât și ME simultan, optimizând eficiența MAI, reducând astfel consumu l de combustibil și
emisiile de noxe [6].

2.1.4.3. Arhitect ura autovehiculelor cu pile de combustie
Autovehiculele cu pile de combustie sunt o categorie de vehicule electrice care utilizează
așa numitele pile de combustie pentru a alimenta cu energie un motor elect ric. Acestea produc
curent electric prin reacții c himice între oxigenul din aerul atmosferic și hidrogenul stocat la bord
[9]. Hidrogenul este combustibilul ales pentru a realiza această reacție, de unde a venit și
denumirea de vehicul pe bază de hidrogen cu pile de combustie. Hidrogenul este stocat în
rezervoare speciale, de înaltă presiune. Energia electrică produsă este livrată motorului electric
care antrenează roțile motoare. Energia în plus este stocată în surse energetice precum baterii sau
supercapacitori [7].
Vehiculele cu pile de combustie produc doar apă ca produs secundar al procesului de
generare a energiei. Arhitectura unui astfel de vehicul este prezentată în figura 2.3. Un avantaj al
acestora este faptul că își p roduc propria energie electrică fără emisi i de carbon, reducându -și astfel
amprenta de carbon, mai mult decât orice alt VE. Un alt avantaj, poate cel mai important în
momentul de față, este timpul scurt de reîncărcare a rezervoarelor cu hidrogen, comparabi l cu cel
al realimentării autovehiculelor convenționale. Acest lucru face ca adoptar ea acestor vehicule să
fie mai probabilă în viitorul apropiat. Obstacolele majore pentru această tehnologie sunt lipsa de
stații speciale de alimentare cu hidrogen, costuri le de producție și probleme de stocare în siguranță

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

a hidrogenului. Dacă s -ar rezolv a aceste obstacole, mașinile cu pile de combustie ar putea fi soluția
pentru sectorul transporturilor [7].

Fig. 2.3 Arhitec tura unui vehicul cu pilă de combustie [10]

2.1.4. 4. Elementele principale care alcătuiesc un vehicul electric
Spre deosebire de un vehicul convențional, un VE este destul de flexibil. Acest lucru se
datorează absenței amalgamului de componente mecanice complicate necesare pentru ca un
vehicul convențional să funcționeze eficient. Un VE are doar o singură parte mobilă, și anume
ME. Acesta poate fi controlat cu ajutorul a numeroase sisteme de control, av ând nevoie doar de o
sursă energetică. Atât ME cât și sistemele de control pot fi amplasate oriunde în cadrul
autovehiculului, atât ti mp cât sunt conectate între ele prin cabluri electrice, vehiculul va funcționa
[7].
VE poate fi considerat un sistem ce incorporează trei subsisteme, și anume:
1. sursa ene rgetică;
2. subsistemul de propulsie;
3. subsistemul auxiliar.
Sursa energetică include bateria, sistemul de încărcare și sistemul de management al
energiei. Din sistemul de propulsie fac parte motorul electric, convertorul de energie, controlerul
electronic, t ransmisia și roțile. Subsistemul auxiliar cuprinde sursa d e energie auxiliară, sistem de
management termic și servodirecția [7].

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Principalele elemente care alcătuiesc u n VE sunt prezentate în schema din figura 2.4, de
mai jos.

Fig. 2. 4 Elementele principale ale unui VE [2]

Bateria este sursa pr incipală de energie a VE. Odată cu avansul tehnologic s -au dezvoltat
și adoptat mai multe tehnologii de acumulatori, iar procesul este încă în derulare. Cea mai
prevalentă tehnologie a acumulatorilo r, la momentul de față, este cea litiu -ion. Sursa energeti că
este formată din mai multe module , un sistem de răcire, cutie de joncțiuni, sistem de management
al bateriei și o carcasă ranforsată și izolată. Aceste caracteristici se combină astfel încât pach etul
să poată rezista la impact și în medii diferite de te mperatură. Este poziționată în partea de jos a
caroseriei pentru a coborî centrul de greutate și a îmbunătății performanțele dinamice, având de
asemenea și rol structural [11]. O sursă energetică pentru un VE pur poate cântări mai mult de 300
de kilograme, iar pentru un vehicul hibrid în jurul valorii de 120 de kilograme. Voltajul poate varia
mult, ajungând și până la 650V, însă, valoarea tipică este de aproximativ 300V. Capaci tatea
bateriei este între 20 – 100 kWh [2], [12] .
Sistemul de management al bateriei est e un dispozitiv care monitorizează și controlează
acumulatorul. Determină starea de încărcare a celulelor, monitorizează temperatura la nivelul
acumulatorului și protejea ză celulele de supra încărcare sau de descărcare sub pragul limită. De
asemenea contro lează releele ce pot deconecta bateria în caz de accident sau incendiu [2].
ME este componenta care transformă energia electrică în energie cinetică. Poate funcționa
și ca generator, în timpul frânării regenerative, acțiune ce duce la reîncărc area bateriilor. Există
mai multe o pțiuni de ME pentru sistemele de tracțiune, cele ma i utilizate fiind motoarele de CA și
cele de CC. Motoarele de CA oferă multe avantaje din punct de vedere al controlului, dar au nevoie Autovehicul
electricBateria
Sistem de
management
al bateriei
Motor
electric
InvertorUnitatea de
controlUnitatea de
încărcare

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

de un invertor pentru a converti C C provenit de la baterii în CA. Motoarele de CC sunt o opțiune
populară pentru vehicul ele electrice de dimensiuni mici.
Motorul trifazat cu magnet permanent este acum alegerea principală a majorității
producătorilor. Aceasta se datorează eficienței acestu ia, a dimensiunilor mici și controlului facil,
dar și a caracteristicii sale de moment . Este antrenat de ”impulsuri” de CC, fiind cunoscut și sub
numele de motor cu comutator electronic.
În general, toate motoarele de CA funcționează pe același principiu. O înfășurare trifazată
este distribuită în jurul unui stator lamina t și formează un c âmp magnetic rotativ, pe care rotorul îl
”urmează”. Termenul general este motor cu inducție trifazată [2].
Tabelul 2.2 rezumă o parte din avantajele și dezavantajele diferitelor tipuri de ME
existente și furnizează câteva exemple de autovehicul e ce utilizează astfel de motoare [2], [7] .
Tabel 2.2 Avantaje le și de zavantajele diferitelor tipuri de ME
Tipul ME Avantaje Dezavantaje Utilizat în vehicule
Motor CC cu
perii ▪ Cuplu maxim la
viteze mici ▪ Structură voluminoasă
▪ Eficiență scă zută
▪ Generează căldură la
nivelul periilor Fiat Pand a Elettra,
Conceptor G -Van
Motor CC cu
magnet
permanent
(”Brushless”) ▪ Mai eficient
decât motoarele
cu inducție
▪ Ușor
▪ Dimensiuni
reduse
▪ O mai bună
disipare a
căldurii
▪ Fiabile
▪ Moment motor
mai mare
▪ Putere mai mare ▪ Interval de putere
constantă restrâns
▪ Momentul motor scade
proporțional cu
creșterea vitezei
▪ Costuri mari Toyota Prius
Motor sincron
cu magnet
permanent ▪ Eficient
▪ Compact
▪ Potrivit pentru
motoare în roată
▪ Moment motor
la viteze foarte
scăzute ▪ Pierd eri mari la viteze
mari Toyota Prius, Nissan
Leaf, Soul EV
Motor cu
inducție ▪ Cel mai matur
sistem de
acționare fără
comutator
▪ Poate fi utilizat
ca un motor CC
excitat separat
prin utilizarea
unui controler
special Tesla Model S, Tesla
Model X, Toyota
RAV 4, GM EV1

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Electronica de putere este o componentă cheie a unui VE. Reprezintă elemen tul de
legătură dintre baterie (sursa de CC) și ME (de CA). Este compusă d intr-un invertor. Invertorul
este circuitul electronic folosit pentru comanda ME. Acesta transfor mă efectiv CC în CA cu
ajutorul unui tranzistor bipolar cu poartă izolată (IGBT), uti lizat în principal ca un comutator
electronic cu acțiune rapidă și cu eficiență ridicată [13].
Sistemul de con trol motor/g enerator se ocupă de partea de control al ME pentru a asigura
moment la roțile motoare și, de asemenea, asigură recuperarea de energie atunci când ME este pe
mod generator. Unitatea de control (MCU) controlează invertorul (figura 2.5). Invertor ul es te
circuitul electronic folosit pentru comanda ME. Acesta transformă efectiv CC în CA [2].

Fig. 2.5 Sistemul de control al ME [2]

2.2. Tehnol ogia ba teriilor pentru autovehicule electrice
O baterie stochează și convertește energia chimică în energie electrică. Simbolurile pentru
baterie și tipurile de conexiuni electrice se regăsesc în figura 2.6.
Bateriile utilizate în aplicațiile auto sunt ba terii secundare. O baterie secundară poate fi
descărcată și reîncărcată în mod repetat. Exem ple de astfel de baterii sunt:
▪ Bateriile cu plumb (PbA);
▪ Hidrură de nichel -metal (NiMH);
▪ Litiu -ion (Li -ion) [4].

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Fig. 2.6 Simboluri pentru baterie și tipuri de conexiuni electrice: (a) Reprezentarea simbolică a
bateriei; Baterii legate (b) în serie; (c) în paralel; (d) în serie -paralel [4]

Telefoanele inteligente folosesc baterii de tip litiu -ion polimer (LiPo). Acestea
funcționează similar cu o baterie standard Li -ion. Celulele LiPo au un electrolit sub formă de gel,
ceea ce le face mai maleabile și ușor de modelat. Electrolitul din bateriile Li-ion standard este sub
formă lichi dă având ca separato r o membrană de polipropilenă.
Cealaltă categorie de baterii este cea a bateriilor primare. Acestea nu pot fi reîncărcate
după ce s -au descărcat. Exemple de astfel de baterii sunt bateriile alcaline -mangan, utilizate
frecvent în aplica ții precum telecomenzi, lanterne, etc [4].
Celula este unitatea de bază a unei baterii. Un ac umulator este alcătuit din mai multe astfel
de celule. Acest lucru este necesar pentru a putea crește capacitatea, voltajul sau puterea
acumulatorului. Celulele pot fi aranjate în serie sau în paralel. Celulele sunt aranjate în serie,
precum în figura 2.6( b), pentru a genera o tensiune și o putere mai mare, deoarece tensiunea
acumulatorului este dată de suma tensiunilor individuale ale celulelor ce îl alcătuiesc. Celulele
sunt aranjate în paralel (figura 2.6 (c)) pentru a genera un curent și, implicit, o pu tere mai mare.
Energia stocată, durata de viață și tensiunea bateriei depind de curentul sau energia extrasă de la
baterie. Adăugarea mai multor celule în paralel crește capacitatea și deci durata de viață a
acumulatorului.
Bateriile VE sunt de tipul seri e – paralel (figura 2.6 (d)), pentru a obține tensiune, curent,
putere și durată de viață mai mare. Acumulatorul de pe modelul din 2016 Tesla Model S are o
capacitate de 85 kWh, având 16 module în serie. Fi ecare modul are la rândul său 6 sub -module
legate în serie a câte 74 de celule în paralel. Astfel, a cumulatorul are un număr total de 7104 celule,
efectiv o matrice de celule cu 96 în serie și 74 în paralel [4].
Bateriile reîncărcabile litiu -ion (Li -ion) au fost introduse pe piață pentru prima dată în
1991, iar apariția lor a dat startul unei revo luții în domeniul electronicii de consum. De atunci, a
fost posibilă înmagazinarea unei energii suficiente într -un volu m mic, dând naștere unei întregi
game de dispozitive electronice portabile, ce a oferit mult mai multă flexibilitate și confort.

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Tehnolog ia litiu -ion devine principalul reper în construcția bateriilor. Bateriile de astăzi
au o densitate de energie de până la 140 Wh/kg, în unele cazuri chiar mai mult, având potențialul
de a urca la 280 Wh/kg. Această tehnologie este consid erată cea mai sigu ră și este în continuă
dezvoltare, având ca scop creșterea densității de energie și, implicit, a autonomiei autovehicul elor.
Bateriile litiu -ion au un cumul de energie și densitate de putere ridicate, fiind tehnologia
ideală pentru dispozitive electronice portabile, vehicule hibride și electrice. Dacă vehiculele
electrice înlocuiesc majoritatea celor care folosesc combust ibili fosili, bateriile litiu -ion vor reduce
semnificativ emisiile de gaze cu efect de seră. Eficiența energetică ridic ată a bateriilor l itiu-ion
poate permite, de asemenea, utilizarea lor în diverse rețele electrice, inclusiv pentru a înmagazina
energia e lectrică provenită din surse regenerabile precum turbine eoliene, panouri fotovoltaice și
altele, contribuind astfel la utilizarea mai ră spândită a acestora și la construirea unei economii
energetice durabile [14].

2.2.1. Principiul de funcționare a celulelor litiu -ion
Bateriile litiu -ion sunt dispozitive de stocare a energiei electrice, unde ionii de litiu se
mișcă între anod și catod, aceștia fiind separați de o membrană. În ciuda multor ani de cercetare și
dezvoltare, pr ocesele electrice și chimice ce permit bateriilor litiu -ion să funcționeze sunt, în
principiu, destul de simple [15]. O celulă litiu -ion (figura 2.7) este compusă din patru mari
componente:
• Catod (sau terminal pozitiv);
• Anod (sau terminal negativ);
• Electrolit;
• Separator poros.

Fig. 2.7 Componenta celulei litiu -ion [15]

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Materialul catodului are întotdeauna la bază un compus de litiu, însă celelalt e materiale
utilizate variază de la un tip de celulă la altul. Anodul este aproape întotdeauna grafit și poate
include urme de alte elemente. Electrolitul este, în general, un co mpus organic care conține săruri
de litiu ce facilitează transferul ionilor. S eparatorul poros permite traversarea ionilor, izolând în
același timp catodul de anod.
Atunci când celula este descărcată, ionii de litiu se deplasează de la anod la catod, trec ând
prin electrolit. Acest fenomen elimină electronii de pe partea anodică, al imentând circuitul. Atunci
când celula este reîncărcată, acest proces este in versat, iar ionii de litiu trec înapoi de la catod la
anod (figura 2.8) [2], [15] .

Fig. 2.8 Principiul de funcționare a celulelor li -ion [2]

2.2.2. Factori i de formă a celulelor litiu-ion
Celulele cu acumulator de litiu sunt disponibile în mai mulți factori de formă, însă
construcția lor de bază rămâne aceeași. Celulele de tip ”pouch” (pungă) (figura 2.9) sunt cea mai
simplă formă a acumulatoril or cu litiu. Acestea nu se fabr ică la dimensiun i standard, companiile
producătoare customizându -le în funcție de cerințele cl ienților și pentru a maximiza spațiul
disponibil. Avantajul acestor celule este prețul mic și faptul că sunt ușor de produs. Princi palul
dezavantaj este lipsa de protecție exteri oară, care poate conduce la deteriorare [15].
Celulele prismatice (figura 2.10) sunt asemănătoare cu cele de tip ”pouch”, cu excepția
faptului că au o carcasă rectangulară rigidă, cu rol de protecție. Acestea sunt, prin urmare, mai
puțin eficiente din punct de vedere al spațiului, dar s unt mai durabile comparativ cu cele de tip
”pou ch” [15].

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Fig. 2.9 Celula de tip pungă [16]

Fig. 2.10 Celulă prismatică [16]

Celulele cilindrice (figura 2.11) sunt produse prin rularea aceluiași conținut al unei
celule de tip ”pouch”, într -un cilindru metalic cu term inale la fiecare capăt. Aceste celule
nu sunt foarte eficiente din punct de vedere al spațiulu i, dar au cea mai bună rezistență
mecanică și nu necesită alte structuri de suport. Spre deose bire de celelalt e tipuri de
celule, cele cilindrice au dimensiuni st andard. Cea mai comună este celula 18650 (18
mm diametru și 65 mm înălțime) [15].

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Fig. 2.11 Reprezentarea unei celule cilindrice [16]

Analiza avantajelor și dezavantajelor difer iților factori de formă a celulelor litiu -ion se
regăse ște în tabelul 2.3 [16].
Tabel 2.3. Comparație între factorii de formă a celulelor litiu -ion
Celule cilindrice Celule prismatice Celule de tip pungă
Avantaje ▪ Masă redusă
▪ Cel mai mic p reț
per Wh
▪ Suprafață mare de
schim b de căldură
▪ Stabilitate
mecanică bună
▪ Energie specifică
mare
▪ Ciclu de viață lung
▪ Dimens iuni
standardizate
▪ Costuri de
manufactura re mai
mici comparativ cu
a celulelor
prismatice ▪ Densitate mai mare
de împach etare
comparativ cu
celulel e cilindrice ▪ Cea mai
mare
densitate de
împachetare
dintre toate
tipurile de
celule
▪ Masă redusă
Dezavantaj e ▪ Densitate de
împachetare redus ă
▪ Ocupă mai mult
volum
▪ Realizarea
legăturilor electrice
este mai complex ă
pentru acumulatori
de voltaj și
capacitate mai
mare ▪ Dimensiu ni
nestandardizate
▪ Este necesar sp ațiu
pentru expansiunea
celulelor
▪ Densitate de
energie mică
▪ Ciclu de viață redus
▪ Cost de
manufacturare mai
mare
▪ Expunerea la
temperaturi
ridicate și
umiditate
reduce durata
de viață
▪ Este de
așteptat
umfla rea
celulelor

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

2.2.3. Tipuri de chimie pe bază de litiu folosite la bateriile pentru vehiculele electrice
Principalele tipuri de chimie folosite în producția de baterii pentru autovehiculele
electrice sunt:
a. Litiu Oxid de Cobalt (LiCoO2)
b. Litiu Oxid d e Mangan (LiMn2O4 sau LMO)
c. Litiu Nichel Mangan Oxid de Cobalt (LiNiMnCoO2 sau NMC)
d. Litiu Fosfat de Fier (LiFePO4)
e. Litiu Nichel Cobalt Oxid de Aluminiu (LiNiCoAlO2 sau NCA)
f. Titanat de Litiu (Li4Ti5O12 sau LTO)
În figura 2.12 sunt comparate energ iile specifice ale sistemelor p e bază de plumb, nichel
și litiu. Li -Aluminiu (NCA) este câștigătorul clar prin capacitatea de stocare mai mare comparativ
alte sisteme, însă acest lucru se aplică doar în cazul energiei specifi ce. În ceea ce privește puterea
specifică și stabilitatea term ică, Li -Mangan (LMO) și Li -Fosfat (LFP) sunt superioare. Li -Titanit
(LTO) poate avea o capacitate scăzută, dar această chimie depășește majoritatea celorlalte baterii
din punct de vedere al dura tei de viață și are, de asemenea, cea mai bună performanță la temperaturi
scăzute. Deplasându -se spre sistemul de propulsie electrică, siguranța și ciclul de viață vor câștiga
în fața capacității. (LCO reprezintă Li -Cobalt, Li -Ion original) [17].

Fig. 2.12 Energia specifica pentru fiecare chimie in parte [17]

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Avantaj ele celulelor li-ion:
▪ Densitate mare d e energie;
▪ Rata de auto -descărcare: o problemă cu multe baterii reîncărcabile este rata de auto –
descărcare. Un avantaj al celulelor li -ion este faptul că rata lor de auto -descărcare este mult
mai mică, aproximativ 1 – 2 % pe lună;
▪ Întreținere redusă: un al t avantaj important al ba teriilor li -ion este că nu au nevoie de
întreținere, spre deosebire de celulele Ni -Cad, ce necesită o descărcare periodică pentru a
elimina efectul de memorie.
▪ Varietate de tipuri disponibile: Există mai multe tipuri de celule li -ion disponibile. Se poate
selecta tipul de celulă în funcție de necesita te.
Dezavantajele celulelor li -ion:
▪ Necesitatea protecției împotriva supraîncărcării și descărcării prea mari: ne cesită circuite
de protecție înco rporate pentru a se evita depășir ea limitelor de funcționare sigură;
▪ Îmbătrânirea: Depinde atât de timp cât și de numărul de cicluri de încărcare/descărcare. De
regulă, după 500 – 1000 de astfel de cicluri, capacitatea se r educe. De asemenea necesită
condi ții speciale de stocare (trebuie să fie încărcate la 50%) și ținute într -un mediu cu o
temperatură constantă.
▪ Cost: Bateriile li -ion sunt cu aproximativ 40% mai costisitor de manufacturat comparativ
cu celulele nichel cadm ium
▪ Tehnologie relativ nouă: Chia r dacă bateriile li -ion sunt pe piață de mulți ani, sunt încă
într-o zonă în curs de dezvoltare.

2.2.4. Managementul termic al bateriilor
Performan ța, via ța și costul bateriei afectează în mod direct performanța, durata de viaț ă
și costul vehiculelor elec trice și al vehiculelor hibride. Temperatura bateriei influențează puterea
de descărcare, nivelul de energie, acceptarea încăr cării în timpu l frânării regenerative , etc. Toate
acestea afectează dinamica autovehiculului și consumul de energie . Temperatura a fectează , de
asemenea, durata de v iață a bateriei . Prin u rmare, în mod ideal, bateriile trebuie menținute într-un
interval o ptim de temperatură pentru a maximiza performanțele și durata de viaț ă. Acest interval
este diferit în funcție de tipul (chimia) acumulatorului . De obicei, intervalul optim de temperatură
a bateriei (dorit de producătorii acesteia) este mult mai restrâns comparativ cu intervalul specificat
de producătorul autovehiculului . De exemplu, intervalul de temp eratură ideal pentru un
acumulator cu plumb este între 2 5 °C până la 45 °C, cu toate acestea, intervalul de funcționare
specificat al autovehiculului este între – 30 °C și 60 °C [18], [19] .

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

În plus faț ă de temperatura totală a baterie i trebuie considerat ă și distribuția inegală a
temperatur ii în interi orul acesteia. Variați i de temperatură între modu le pot duce la diferențe a
stării de încărcare la nivelul întregu lui pachet de baterii . Acestea, l a rândul lor, ar putea conduce
la module dezechilibrate electric și, implicit , la reducerea pe rformanțelor bateriei [19].
Pentru a menține parametrii funcționa li ai bateriei în intervale ideale, discrepanța dintre
condițiile optime și a celor de funcționare trebuie redusă semnific ativ. Acest lucru se realizează
prin implementarea sistemelor de management termic atât pentru VE cât și pentru vehicule hibride.
Aceste sisteme îmbun ătățesc eficiența bateriilor, menținând temperatura în intervalele dorite.
Astfel, pot fi evitate situațiile în care temperat ura acumulatorul este sub pra gul minim (înghe ț) sau
peste pragul maxi m (supraîncălzire) . Aceste situații duc la îmb ătrânirea prematură a
acumulatorului [20].
Un sistem de management termic poate să fie pasiv (doar mediul ambiant este folosit ) sau
activ (mediul de r ăcire este circulat forțat ). În funcție de modul de extragere a căldurii exist ă
sisteme interne sau externe. Majoritatea sunt sisteme exter ne, ceea ce înseamnă că e nergia termică
este îndepărtată de la suprafața celulei. Îns ă, în aproape toate cazurile , temperatura maximă se află
în partea din interio rul celulei datorită r ezisten ței termice dintre miezul celulei și mediul de răcire
[18].
În funcție de mediul de răcire, sistemele de management termic pot fi clasificate în :
▪ Sisteme de răc ire cu aer;
▪ Sistem e de răcire cu lichid;
▪ Sisteme de răcire cu schimbare de fază (l ichid ă în gazoasă);
▪ Sisteme de răc ire cu schimbare de fază (soli dă în lichidă) [18];
În cazul răcirii pasive cu aer c ăldura este disipată în mediul ambiant prin conducție.
Această metodă este des întâlnită în aplicații electr onice . Un astfel de sistem de management
termic a fost dezvoltat de S aw ș.a., modelul cad al sistemului regăsindu -se în figura 2.1 3.
Rezulta tele în urma simulărilor termice s -au arătat promiț ătoare pentru aplica ții uș oare, unde
descărcările nu sunt foarte mari [21].
Atunc i când răcirea pasivă nu este suficientă, se implementează răcirea cu aer pri n
conve cție for țată prin utilizarea ventilatoarelor. Această soluție se pretează dispozitivelor
electronice , dar se regăse ște și sub forme mai avansate la unele autovehicule hibride precum
Toyota Prius [20], [21] .

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Fig. 2.1 3 Mode lul CAD al un ei baterii ce utilizează răcirea pasivă cu aer . Săgețile albastre indic ă
fluxul aerului ambiental , iar cele r oșii fluxul aerului evacuat [21]

Răcirea indirectă cu lichid este utilizată atunci când trebuie e vitat contactul direct între
component ele elect rice și lichidul de răc ire. Agen tul de răcire este dirijat de -a lungul pereților
carcaselor sau î n incinta acumulatorului , pentru a as igura un mediu pentru conduc ția termică .
Lichidul de răcire este de regu lă un amestec de apă și glicol deoarece are o vâsc ozitate mică și un
coeficient de transfer termic mai bun decât majoritatea ule iurilor. Un model CAD al unui astfel de
sistem de r ăcire se regăse ște în figura 2.14 . Lichidul de răcire este direcționat prin canal e de-a
lungul plăci lor de răcire aflate în tre modulele bateriei [16].

Fig. 2.14 Model CAD a l unui acumulator răcit indirect cu lichid. Săgeata albastră indic ă intrarea
lichidului de răcire , respe ctiv săg eata ro șie indic ă ieșirea lichidului de r ăcire [16]

Soluțiile de management termic au fost comparate între ele iar avantajele și dezavantajele
acestora sunt prezentate în tabelul 2.4 [16].

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Tabel 2.4. Comparație a sistemelor de management termic adoptate de producătorii de vehicule
Răcire pasivă cu aer Răcirea cu aer prin
conve cție for țată Răcire i ndirectă cu
lichid
Avantaje ▪ Masă redusă
▪ Simplă ▪ Mai eficientă
decât răc irea
pasiv ă cu aer
▪ Potrivită
pentru
consum de
energie
scăzut ▪ Transfer de
căldură mai
bun dec ât
soluțiile cu
răcire prin aer
▪ Temperatura
media a
fluidului de
răcire
constantă
Dezavantaje ▪ Distribuție
complicată a
aerului în
acumulator
▪ Este nevoie de
o
precondiționare
a fluidului de
răcire
▪ Temperatur ă
ambiental ă
variabilă ▪ Consum mai
mare de
energie

2.2.5. Sigur anța bateriilor litiu-ion în contextul proiectării
2.2.5.1. Tipuri de p ericole
Evaluarea siguranței unei baterii litiu -ion necesită definirea tipurilor de pericole care pot
să apară, probabilitatea lor de apari ție și consecințele acestora în cadrul aplicaț iei. Ca în cazul
oricărui sistem de baterii, tehnologiei litiu -ion i se pot asocia atât riscuri de natură electrică, cât și
de natură chimică. În funcție de solicitările la care este supusă bateria, aceste risc uri pot crea
consecințe mai mult sau mai puțin periculoase. Potențialele pericole pot fi clasificate astfel:
▪ Chimice;
▪ Electrice;
▪ Electrice și chimice ;
▪ Pericol de mare tensiune (peste 6 0V CC);
▪ Cauzate de pierderea unei funcții a bateriei [22].
Substanțele din interiorul celulei pot prezenta unele riscuri chimice. Deși, în condiții
normale de funcționare, nu ar trebui să fie eliberate în atmosferă substanțe chimice, trebuie luat în
considerare cazul unei expuneri accidentale, în special degradarea învelișului de protecție datorită
unui impac t, a creșterii presiunii interne, etc. Un alt tip de pericol observat la toate bateriile este

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

legat de conținutul de energie electrică. Fluxul de curent din baterie generează căldură (este
cunoscut sub numele de efect Joule). Căldura generată în urma proceselor de încărcare/descărcare
este gestionată de un sistem de management termic. În plus, bateria trebuie să fie protejată de scurt
circuite [22].
Starea de încărcare trebuie și ea să fie controlată. Supraîncărcarea generează reacții
nedorite, care sunt mai exoterme decât cele normale. Acestea accelerează creșterea temperaturii
bateriei. În plus, supraîncărcarea creează mai multă instabil itate chimică a unor materiale. Acesta
este motivul pentru care este nevoie de dispozitive electronice de protecție, ce monitorizează și
controlează starea de încărcare a bateriei [22].

2.2.5 .2. Sisteme de management al siguranței
În practică, niciun dispozitiv nu poate fi capabil să îndeplinească toate f uncțiile de
protecție a bateriei. Managementul siguranței se obține printr -un cumul de:
▪ proiectare optimă a bateriei astfel încât să fie robustă și rezistentă la factori externi de
solicitare;
▪ alegerea materialelor pentru a optimiza raportul dintre performanța și reactivitatea
materialelor;
▪ controlul produsului și al procesului pentru a garanta calitatea etapelor de fabricație [23],
[22].
În funcție de mărimea lor și de aplicație, bateriile litiu -ion vor folosi câteva dintre
următoarele dispozitive de protecție, clasificate în trei tipuri principale:
1. Construcția celulei
a. La nivelul celulei: c aracteristici chimice (electrozi și materiale de separare)
b. Proiectarea unei carcase cu supape de siguranță
c. Dispozitive de întrerupere a curentului
2. Construcția sistemului
a. Elemente electronice
i. Protecție împotriva supra -voltajului
ii. Protecție împotriva excesului de temperatură
iii. Circuite pentru echilibrarea celulelor
b. Elemente electrice
i. Siguranțe
ii. Contactoare
c. Dispozitive mecanice la nivel de modul și sistem

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

i. Sistem de management termic optim
ii. Protecție structurală
iii. Sisteme de reținere sau evacuare a gazelor
3. Elemente software
a. Senzori pentru monitorizarea caracteristicilor bateriei
i. Măsurarea voltajului la nivel de celula/modul
ii. Senzori de temperatură
iii. Senzori de curent
b. Detectarea defecțiunilor și acțiun i de control adecvate
i. Sisteme software de monitorizare și control
În special în cazul bateriilor mari, sistemul de management al bateriei ( SMB ) integrează
în partea de software controlul parametrilor operaționali cheie din timpul utilizării, precum st area
de încărcare, curentul, voltajul și temperatura internă și ambientală [22].
Redundanța funcțiilor de control îmbunătățește fiabilitatea sistemului global.
Tehnologiile SMB sunt în permanen tă dezvoltate pentru a stoca informații complete despre
utilizarea b ateriei și pentru a se reglementa mai eficient. SMB -urile actuale au un sistem de
comunicare (cum ar fi un bus -CAN ) pentru a face schimb de informații cu sistemul de operare.
Gestionarea globală a bateriei poate, apoi, să fie coordonată cu nevoile utilizat orilor, inclusiv
disponibilitatea energiei sau controlul sistemelor de răcire [22].
Designul mecanic al celulelor litiu -ion este dovedit a fi rezistent la șocuri și vibrații și
poate să fie utilizat în siguranță într -o gamă largă de temperaturi (de obicei între -20 °C și + 60 °C).
Mecanismul lor de protecție este în mare măsură asigurată de carcasa modulelor și / sau bateriei.
Designul mecanic și electric al bateriei depinde într -o mare măsură de constrângerile aplicațiilor
[23], [22] .

2.3. Studii de caz
Pentru a înțelege mai bine modul de construcție și funcționare a bateriilor pentru
autovehiculele electrice am întocmit un studi u de caz a tehnologiilor actuale în i ndustria VE. Au
fost analizați cei mai importanți parametrii , precum voltajul, capacitatea, autonomia , puterea,
tipurile de celule folosite, construcția mecanică etc.) ai pachetelor de baterii de la mai mulți
producăt ori.

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

2.3.1. Tesla Model 3
Bateria noului model din gama Tesla (figura 2.15) este alcătuită din celule cilindrice, la
fel ca și celelalte modele , dar spre deosebire de celulele 18650 (18 mm diametru și 65 mm lungime)
a predecesorilor , aceasta are celule 2170 (21 mm diametru și 70 mm lungime). Cel ulele 2170 au o
densitate energetică cu până la 30% mai mare și pot susține în cărcarea rapidă av ând o rezisten ță
intern ă mai mică [24].

Fig. 2.15 Bateri a Tesla Model 3 [25]

Există mai multe versiuni pentru Model 3. Versiunea de bază are o autonomie de
aproximativ 350 de kilometri , având o baterie de 53 kWh și un singur motor electric. Versiunea
echipată complet poate atinge 500 kilometri cu o baterie d e 75 kWh și două motoare electrice.
Acumulatorul are un voltaj maxim de 350V .

2.3.2. GM Volt
GM Volt (figura 2.16) este un vehicul electric cu auton omie ext insă ( ”range extender” ).
A doua generație a acestui model are o autonomie de 85 kilometri. Dispune de două motoare
electrice mai eficiente cu 12% și ma i ușoare cu 50 de kilograme. Autonomia totală este de 6 75
kilometri și este atin să folosind un generator (85 de kilometri doar pe baterii) . Tehnologia bateriilor
folosită de General Motors a fost dezvoltată în conjuncț ie cu LG C hem. Capacitatea de stocare
este cu 20% mai mare comparativ cu cea ori ginală, în timp ce numărul de celule a scăzut de la 288
la 192. Pachetul de baterii poate s toca p ână la 18.4 kWh, are o rată de descărcare de 12 0kW și
reține forma de T (figura 2.17) . Celulele sunt dispuse în p erechi și sunt poziționate mai jos, pentru
a reduce centrul de g reutate. Răcirea se face cu ajutorul unor plăci din aluminiu dispuse între
celule prin care circulă lichid de răcire [24].

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Fig. 2.16 GM Volt [26]

Fig. 2.1 7 Pachetul de baterii pentru GM Volt [27]

2.3.3. GM Bolt
Bolt este succesorul lui V olt, dar renunț ă la motor ul pentru extinderea autonomiei și
devine VE pur. Are un acumulator (figura 2.18) de 60 kWh cu o autonomie de aproximativ 400
de kilometri. Masa acumulatorului este de 436 kilograme, av ând 288 de celule Li-ion cu o
configuraț ie de 96 serii a c âte 3 în paralel. Voltajul nominal este de 350V. Acumulatorul este
amplasat în podeaua vehiculului pentru a cobor î centrul de greutate . Răcirea se face cu ajutorul
unor plăci de aluminiu ce se cuplează la o placă de transfer termic răc ită cu lichid poziționată in
partea inferioară a pachetului de baterii [24].

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Fig. 2.1 8 Pachetul de baterii pentru GM Bolt [28]

2.3.4. Nissan L EAF
Aflat printre primele VE de pe piaț a de larg consum, Leaf continuă să se dezvolte.
Modelul 2016 are acum o autonomie de până la 25 0 de kilometri. Această creștere față de modelul
precedent se datorează un ei baterii de 30 kWh cu tehnologie nouă. Noua baterie (figura 2.19) oferă
o autonomie mai mare fără ca dimensiunile inițiale a acumulatorului de 24 kWh să fie modificate.
Acest lucru se datorează actualizării designului intern și a chimiei celulelor [2]. Acumulatorul este
răcit cu aer avâ nd un singur ventila tor [24].

Fig. 2.1 8 Pachetul de baterii pentru GM Bolt [24]

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Bibliografie

[1] M. J. Rycroft, Dictionary of environmental science and technology , vol. 56, no. 1. 2003.
[2] T. Denton, Hybrid and electrical vehicles . New York: Routledge, 2016.
[3] M. KANE, “Median EPA Range For 2018 Electric Cars, ” InsideEVs . [Online]. Available:
https://insideevs.com/news/342110/median -epa-range -for-2018 -electric -cars-increased -to-
125-miles/. [Accessed: 29 -Jun-2019].
[4] J. G. Hayes and G. A. Goodarzi, Electric Powertrain: e nergy systems, power electronics
and drives for hybrid, electric and fuel cell vehicles . Hoboken: John Wiley & Sons, 2018.
[5] “Engineering and technology history wiki. ” [Online]. Available:
https://ethw.org/Charles_F._Kettering. [Accessed: 30 -Jun-2019].
[6] J. Larminie and J. Lowry, Electric Vehicle Technology Explained Electric Vehicle
Technology Explained , Second Edi. West Sussex: John Wiley & Sons Ltd, 2012.
[7] F. Un -Noor, S. Padmanaban, L. Mihet -Popa, M. N. Mollah, and E. Hossain, “A
comprehensive stu dy of key electric vehicle (EV) components, technologies, challenges,
impacts, and future direction of development, ” Energies , vol. 10, no. 8, pp. 1 –82, 2017.
[8] “No Title. ” [Online]. Available: https://www.thetorquereport.com/wp –
content/uploads/2017/07/i d_crozz_concept_0008 -1024×655.jpg. [Accessed: 30 -Jun-2019].
[9] “No Title. ” [Online]. Available:
https://ro.wikipedia.org/wiki/Vehicul_cu_pile_de_combustie. [Accessed: 03 -Jul-2019].
[10] “No Title. ” [Online]. Available: https://d3lp4xedbqa8a5.cloudfront.ne t/s3/digital -cougar –
assets/motor -media/2818376/audihtron5.jpg. [Accessed: 03 -Jul-2019].
[11] S. Arora, W. Shen, and A. Kapoor, “Review of mechanical design and strategic placement
technique of a robust battery pack for electric vehicles, ” Renew. Sustain. E nergy Rev. , vol.
60, pp. 1319 –1331, 2016.
[12] “No Title. ” [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_vehicle_battery.
[Accessed: 03 -Jul-2019].
[13] A. Mahmoudzadeh Andwari, A. Pesiridis, S. Rajoo, R. Martinez -Botas, and V. Esfahanian,
“A review of Battery Electric Vehicle technology and readiness levels, ” Renew. Sustain.
Energy Rev. , vol. 78, no. October 2015, pp. 414 –430, 2017.
[14] J. Jaguemont, L. Boulon, and Y. Dub é, “A comprehensive review of lithium -ion batteries
used in hybrid and e lectric vehicles at cold temperatures, ” Appl. Energy , vol. 164, pp. 99 –
114, 2016.
[15] M. Toll, “DIY Lithium Batteries: How to Build Your Own Battery Packs, ” 2017.

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

[16] P. Lant, “Cfd a Nalysis of S Ensible T Hermal E Nergy S Torage S Ystem Using S Olid M
Edium in S Olar T Hermal P Ower, ” vol. 6, no. 6, pp. 2766 –2783, 2014.
[17] V. Ruiz, A. Pfrang, A. Kriston, N. Omar, P. Van den Bossche, and L. Boon -Brett, “A review
of international abuse testing standards and regulations for lithium ion batteries in electr ic
and hybrid electric vehicles, ” Renew. Sustain. Energy Rev. , vol. 81, no. May 2017, pp.
1427 –1452, 2018.
[18] H. Liu, Z. Wei, W. He, and J. Zhao, “Thermal issues about Li -ion batteries and recent
progress in battery thermal management systems: A review, ” Energy Convers. Manag. , vol.
150, no. August, pp. 304 –330, 2017.
[19] A. A. Pesaran, “Battery Thermal Management in EVs and HEVs, ” Adv. Automot. Batter.
Conf. , no. January 2001, 2001.
[20] C. Kuper, M. Hoh, G. Houchin -Miller, and J. Fuhr, Thermal Manageme nt of Hybrid Vehicle
Battery Systems . 2009.
[21] L. H. Saw, Y. Ye, A. A. O. Tay, W. T. Chong, S. H. Kuan, and M. C. Yew, “Computational
fluid dynamic and thermal analysis of Lithium -ion battery pack with air cooling, ” Appl.
Energy , vol. 177, pp. 783 –792, 2 016.
[22] “No Title. ” [Online]. Available: https://www.rechargebatteries.org/wp –
content/uploads/2013/07/Li -ion-safety -July-9-2013 -Recharge -.pdf. [Accessed: 06 -Jul-
2019].
[23] G. H. Kim, K. Smith, J. Ireland, and A. Pesaran, “Fail-safe design for large capa city lithium –
ion battery systems, ” J. Power Sources , vol. 210, pp. 243 –253, 2012.
[24] “No Title. ” [Online]. Available: http://www.twinkletoesengineering.info/hybrid_car.htm.
[Accessed: 06 -Jul-2019].
[25] “No Title. ” [Online]. Available: https://media.moto rbox.com/image/tesla -model -3-tutti-i-
segreti -di-gomme -telaio -freni -e-sospensioni/6/2/0/620240/620240 -16×9 -lg.jpg.
[Accessed: 06 -Jul-2019].
[26] “No Title. ” [Online]. Available: https://www.traxio.be/media/880708/volt_recht.jpg.
[Accessed: 06 -Jul-2019].
[27] “No Title. ” [Online]. Available: https://www.wallacechev.com/wp –
content/uploads/2015/04/2016 -Chevrolet -Volt-Battery.jpeg. [Accessed: 06 -Jul-2019].
[28] “No Title. ” [Online]. Available: https://pictures.topspeed.com/IMG/jpg/201609/opel –
ampera -e-arrive -14.jpg. [Accessed: 06 -Jul-2019].

Andrei Popescu Stadiul actual al vehiculelor electrice și hibride

Anexe