Majoritatea covârșitoare a sistemelor de propulsie pentru automobile, la nivel [621626]

1

ARGUMENT

Majoritatea covârșitoare a sistemelor de propulsie pentru automobile, la nivel
mondial, este reprezentată de motoarele cu ardere i nternă, care utilizează benzina și
motorina pe post de combustibil. Un dezavantaj majo r al acestui tip de combustibili
îl reprezintă emisiile poluante rezultate în urma a rderii, emisii care au efect nociv
asupra oamenilor și a mediului înconjurător.
Pe lângă aceste soluții de propulsie, în industria automobilelor, există și
sisteme de propulsie alternative , unele dintre ele utilizând și combustibili
neconvenționali . Cercetările efectuate pentru aceste tipuri de sis teme de propulsie
și combustibili, au la bază pe de-o parte, dorința și necesitatea de a reduce emisiile
poluante (CO, HC, NOx, particule) și cu efect de se ră (CO2) ale automobilelor, iar
pe de altă parte, reducerea dependenței de combusti bilii convenționali (benzină și
motorină).
Sistemele de propulsie alternativă sunt reprezenta te de propulsoarele
hibride (termic + electric), de cele complet electrice și de sistemele cu pilă de
combustie . De asemenea, combustibilii alternativi, neconvenț ionali sunt
reprezentați de: gazul petrolier lichefiat (en: LPG), gazul natural comprimat (en:
CNG), etanol (E85), biodiesel și hidrogen .
A.Automobilele cu propulsie hibridă
Propulsoarele hibride (motor termic + motor electri c) combină avantajele
ambelor motoare, termic și electric și pot fi proie ctate astfel încât să atingă diferite
obiective: consum redus de combustibil (ex. Toyota Prius ) sau performanțe
dinamice ridicate ( Porsche 911 GT3 Hibrid ).

Fig.1.

2 Un automobil cu sistem de propulsie hibrid păstreaz ă și chiar extinde
autonomia unui automobil clasic cu propulsor termic . În cazul unui automobil
hibrid, motorul termic este proiectat să funcționez e optim, din punct de vedere al
consumului. De asemenea, energia cinetică din timpu l frânării automobilului
(energie mecanică) este recuperată (energie electri că) și stocată în baterii (energie
chimică), pentru o utilizare ulterioară.
Pentru accelerații puternice ale automobilului mot orul electric poate asista
motorul termic pe durate scurte de timp. De asemene a, la plecarea de pe loc a
automobilului, propulsia este pur electrică, iar în timpul staționării automobilului
motorul termic este oprit, pentru a evita consumul inutil de combustibil în timpul
funcționării la regim de mers în gol (ralanti).
Principalul dezavantaj al automobilelor hibride es te dat de prețul ridicat,
mult peste nivelul unui automobil convențional cu p erformanțe de consum și
dinamice similare.
B.Automobilele cu pile de combustie
Cu toate că sunt încă în stadiu experimental, autom obilele cu pile de
combustie, pe baza de hidrogen, au potențialul de a revoluționa industria
automobilelor. Utilizarea pilelor de combustie redu c emisiile poluante ale
automobilelor la zero, singurele produse rezultate în urma reacțiilor chimice fiind
energia electrică și apa (H2O).
Automobilele cu pile de combustie sunt propulsate t ot de motoarele electrice.
Diferența față de automobilele electrice constă în sursa energiei electrice. În cazul
pilelor de combustie cu hidrogen, energia electrică este produsă printr-un procedeu
chimic de combinare a hidrogenului (H2) cu oxigenul (O2).
Hidrogenul necesar producerii energiei electrice po ate fi stocat , sub presiune,
pe automobil, sau poate fi produs, tot la bordul au tomobilului, cu ajutorul unor
reformatoare utilizând metanol, gaz natural sau chiar benzină. Dezavantajul
utilizării unui reformator, în locul hidrogenului p ur, constă în randamentul mai
scăzut, datorită introducerii unei reacții chimice în plus pentru obținerea
hidrogenului.
Principalele dezavantaje ale acestor tehnologii sun t metodele de obținere ale
hidrogenului pur și modul de stocare al acestuia la bordul automobilului.

C.Automobilele electrice
Automobilele electrice (ex. Nissan Leaf ) sunt propulsate de motoare
electrice, alimentate cu energie electrică stocată în baterii. O particularitate a
motoarelor electrice, utilizate pentru propulsia au tomobilelor, este dată de faptul că
acestea pot funcționa și în regim de generator . Astfel, în timpul frânării sau a
coborârii unor pante lungi, automobilele electrice produc energie electrică care este
înmagazinată în baterii.

3

Fig.3.
Avantajul automobilelor electrice constă în lipsa emisiilor poluante,
funcționarea silențioasă și costul de întreținere m ai redus. Toate aceste avantaje sunt
umbrite de o serie de dezavantaje: prețul ridicat ( în principal datorită bateriei),
autonomia redusă și durata mare de încărcare a bate riilor.
D.Automobilele cu gaz petrolier lichefiat
Gazul petrolier lichefiat ( GPL ) este un combustibil fosil care poate fi folosit
pe motoarele termice ale automobilelor. Majoritatea automobilelor care
funcționează cu GPL sunt bi-combustibil deoarece utilizează și un alt combustibil,
de obicei benzina. Aceste automobile au sisteme de stocare, alimentare și injecție
specifice pentru cei doi combustibili.
Principalele avantaje ale utilizării gazului petrol ier lichefiat pentru motoarele
termice sunt: emisii poluante mai reduse și prețul de cost mai mic. Dezavantajele
utilizării GPL -ului sunt necesitatea unor sisteme adiționale de s tocare și alimentare
pe automobil, precum și consumul specific mai mare al motorului.

Fig.4.

4 E.Automobilele cu etanol (flex-fuel)
Motoarele clasice pe benzină pot fi adaptate să fun cționeze și cu etanol în
anumite proporții. Un automobil flex fuel poate fun cționa cu benzină, etanol în
proporție de 15% ( E15 ) sau în proporție de 85% ( E85 ). Aceste motoare folosesc
același sistem de stocare, alimentare și injecție, indiferent de compoziția
combustibilului.
Printre avantajele unui automobil flex fuel se regă sesc: obținerea
combustibilului (etanol) din culturi agricole (poru mb, trestie de zahăr), emisii
poluante mai scăzute și aproximativ același cost de producție cu cel al unui
automobil pe benzină. Dezavantajele sunt consumul m ai mare de combustibil și
dificultăți la pornirea la rece în cazul utilizării predominante a etanolului ( E85 ).

F.Automobile cu gaz natural comprimat
Similar cu automobilele pe GPL , cele cu gaz natural comprimat ( GNC )
funcționează pe două tipuri de combustibil. Gazul n atural este o hidrocarbură
incoloră, inodoră și nu are efecte corozive sau can cerigene. Gazul natural conține
aproximativ 97% metan (CH4).
Fiind mai ușor ca aerul, gazul natural nu curge pe sol, ci se disipă în
atmosferă. Acesta este în avantaj comparativ cu ben zina deoarece se reduce foarte
mult pericolul de incendiu în cazul unui accident.
Avantajele automobilelor cu GNC sunt emisiile poluante și cu efect de seră
mai reduse, precum și prețul de cost mai redus al g azului natural.
Un dezavantaj al GNC -ului este densitatea de energie mai scăzută,
comparativ cu benzina. Pentru a-i crește densitatea de energie, gazul natural se
comprimă până la valori de 200 bari. Chiar și la ac este presiuni ridicate, densitatea
de energie este de doar 20%, comparativ cu același volum de benzină. Din aceste
motive autonomia automobilelor cu GNC este mult mai redusă comparativ cu cele
pe benzină.

Fig.5.

5 G.Automobilele cu biodiesel
Biodiesel-ul este o formă de motorină produsă din u leiuri vegetale, grăsimi
animale sau uleiuri menajere reciclate. Amestecuril e uzuale de biodiesel sunt: B2
(2% biodiesel, 98% motorină), B5 și B20 . Combustibilii biodiesel B2 și B5 pot fi
utilizati fără probleme în majoritatea motoarelor d iesel.
Comparativ cu o motorină, biodiesel-ul are următoar ele avantaje: se poate
produce din surse regenerabile, se poate utiliza în orice tip de motor diesel, în urma
arderii se produc mai puține emisii poluante și cu efect de seră, este biodegradabil,
nu este toxic și se manipulează în condiții mai puț in periculoase.

Fig.6.
Cu toate acestea, comparativ cu o motorină, un combustibil 100% biodiesel
(B100 ) are următoarele limitări: consumul de combustibil este mai ridicat iar
performațele dinamice mai reduse (cu aproximativ 10 % la B100 și 2% la B20 ),
prețul de producție este mai ridicat, apar probleme de ardere la temperaturi scăzute
și fiabilitatea motoarelor poate fi afectată.
F.Automobilele cu hidrogen
În cazul automobilelor, pentru propulsie, hidrogenu l poate fi utilizat în două
moduri: la pile de combustie sau ars direct în cilindri . Potențialul utilizării
hidrogenului este imens, datorită faptului că poate elimina dependența de petrol.
Hidrogenul (H2) este cel mai ușor și abundent eleme nt din Univers. Problema
este că, pe Terra, nu se găsește sub formă liberă, ci în combinație cu atomi de
carbon (C) sau oxigen (O2). Astfel, hidrogenul se poate obține prin electroliza
apei , care presupune desfacerea legăturilor dintre oxig en și hidrogen cu ajutorul
energiei electrice, sau prin reformarea combustibililor fosili (de obicei gazul
natural).

6 Un motor care arde hidrogen, în loc de benzină, est e mai robust, deoarece
presiune rezultată în urma arderii este mai mare. U n motor cu hidrogen are puterea
mai mare cu aproximativ 20% față de motor similar, cu combustibil convențional.
Odată stocat, de obicei sub formă gazoasă sau lichi dă, hidrogenul poate fi
utilizat ca și combustibil pentru motoarele cu arde re internă. Un dezavantaj,
comparativ cu combustibili convenționali, este dens itatea de energie mai scăzută.
Utilizarea hidrogenului ridică probleme deosebite d eoarece acesta este inflamabil și
este de asemenea stocat la presiune foarte mari.

Fig.7.
Concluzii
Încet dar sigur, automobilele cu propulsie alternat ivă încep să fie o soluție
viabilă a societății moderne. Primul salt tehnologi c a fost reprezentat de propulsia
hibridă. Deja, automobilele hibride sunt apariții n ormale, aproximativ toți marii
constructori de automobile fiind antrenați pe acest domeniu.
Saltul tehnologic următor cred că va fi cel al auto mobilelor pur electrice, dar
va mai dura aproximativ 10 ani până când vor avea o cotă de piață similară cu cea a
automobilelor hibride din prezent.
Combustibili alternativi (GPL, GNC, E85 și B20), su nt utilizați de asemenea
pe scară largă, la nivel mondial. Cu excepția GPL-u lui, restul combustibililor au
succes doar pe anumite piețe și sunt strâns legați de capacitatea de producție locală.
De exemplu, o piață foarte dezvoltată pentru automo bilele cu etanol (flex-fuel) o
reprezintă Brazilia, unde, producerea acestui combu stibil este facilă, datorită
culturilor imense de trestie de zahăr.
Utilizarea hidrogenului pentru propulsie, rămâne pe ntru moment, doar la
nivel experimental. Problemele legate de costul de producție al hidrogenului, modul
de stocare al acestuia și infrastructura necesară p entru distribuție, nu vor permite,
pentru o perioadă lungă de timp, utilizarea pe scar ă largă a hidrogenului pentru
propulsia automobilelor.

7
CAP.1. AUTOMOBILUL ELECTRIC

1.1. Istoria autovehiculului electric

Primele încercări de propulsie electrică sunt menți onate pe la începutul celui
de-al patrulea deceniu al secolului XIX. Primul aut omobil electric a fost construit
de către omul de afaceri scoțian Robert Anderson în 1832.
Americanul Thomas Davenport a construit o mică loco motivă electrică în
anul 1835, un model similar al scoțianului Robert D avidson în 1837 (prezența
scoțienilor în istoria vehiculelor electrice pare a fi un argument solid privind costul
și eficiența acestora).
În anul 1834 Hermann von Jacobi instalează un motor pe un vapor cu zbaturi
și în 1838 pe unul cu elice. Tramvaiul electric apa re mai târziu, în 1879, și este
datorat americanului de origine belgiană K.J. Depoe le. Cunoaște o evoluție mult
mai rapidă din cauza dezinteresului magnaților din petrol și industria constructoare
de mașini față de acest segment. Este și motivul pe ntru care acest mijloc de
transport perimat a dăinuit până azi.
Prima mașină ce a depășit viteza de 100 km/h a fost electrică și construită în
Belgia în 1899 (105 km/h).
Există informații precum că Tesla ar fi instalat pr imul său motor electric pe
un automobil în 1897 și ar fi parcurs 800 km cu o v iteză medie de 151,246 km/h (și
maximă de 193 km/h); Părerea autorului lucrării de disertatie, este că, tinând cont
de preocupările reusite ale marelui savant, de a tr ansmite curent electric prin unde
wireless, este aproape sigur că Tesla nu a echipat autoturismul său electric cu
baterii acumulatoare, ci a asigurat alimentarea mot orului electric prin wireless.
Aceasta fiind si marele handicap al celorlalti, pri vind gabaritul bateriilor. In acest
fel, Tesla si-a asigurat un mare atuu, al greutatii mult mai mici al autovehiculului,
de aici probabil si viteza mult mai mare obtinută d ecat ceilalti adversari in
domeniu. Dar datele privitoare la reușitele marelu i savant sunt ascunse cu mare
grije, iar ceea ce răsuflă nu poate fi verificat.
În acel an, 1897, în New York apar taxi-urile elect rice. Începând din 1900,
mașinile electrică se bucură de un extraordinar suc ces, ele fiind mai numeroase
decât cele cu abur sau cu benzină. Dar interese ocu lte impun declinul electricului ce
se face resimțit prin 1920.
În 1966 congresul american recomandă construirea de vehicule electrice
pentru reducerea poluării aerului. Era doar recunoa ștere semioficială a stadiului
dezastruos al mediului (cantitatea uriașă a noxelor din aer și a metalelor grele ce
deteriorează apa și solul) și nicidecum vreo schimb are de orientare economică (ba
mai mult, specialiștii pot bănui primele încercări ale scenariului „crizei” petrolului
din 1973 – în 1950 industria petrolului american a deținut supremația mondială, dar
în 1965 s-a înregistrat un ușor declin ce avea să s e amplifice după 1970).
In 1976 congresul american a produs „Electric and H ybrid Vehicle Research,
Development, and Demonstration Act” pentru a favori za dezvoltarea de noi

8 tehnologii pentru baterii, motoare și componente hi bride. In acest timp însa,
japonezii fac într-adevăr reale progrese. Și nu num ai ei.
Peste 1.200 de fabrici sau ateliere au produs mii d e modele de vehicule
electrice.
Nici una dintre marile companii constructoare de au tovehicule nu a ocolit
capitolul propulsie electrică, dar nu-și pot permit e decât o ieșire timidă pe piață
pentru a nu perturba echilibrul afacerilor îngemăna te petrol – auto. Ultima găselniță
în materie este un model sport electric denumit Tes la Roadster în varianta de bază și
cea Sport cu diferențe semnificative: accelerație 0 – 96 km/h 3,9 respectiv 3,6; 248
respectiv 288 CP; 109.000 respectiv 128.500 usd. S- au vândut 150 exemplare.
Automobilul este fabricat de Tesla Motors care nu a re nici o legătură cu savantul.
Urmează să apară un rival de la McLaren denumit P1 -E la un preț de numai
60.000 euro.
Privind lucrurile in ansamblu, observam ca din ce i n ce mai mult se discuta la
televizor dar si pe diferite canale media, despre m asinile viitorului, masinile hibrid
si cele electrice. Marile companii precum Toyota sa u General Motors renunta
treptat la combustibil si incep sa-si transforme ma rcile de masini in hibrizi. Pe de
alta parte se pare ca alte companii au profitat de acest moment pentru a se lansa pe
piata cu modele de masini 100% electrice.
Tesla, Byd, Venturi sunt cateva companii care au intrat pe piata auto cu
marci 100% electrice si daca va ganditi ca aceste m asini nu se pot ridica la
standardele celor pe benzina sau motorina, va insel ati. Venturi si Tesla pot
demonstra cu brio ca si un model electric poate av ea perfomante ridicate, cei doi
intrand pe piata auto cu roadstere foarte capabile.
Cel mai probabil viitorul auto este unul electric, lucru recunoscut si de marii
producatori precum Renault care urmeaza sa lanseze gama de masini electrice
Renault ZE sau de General Motors care tocmai a lansat modelul electric Chevrolet
Volt.

1.2. Generalitati despre autovehicule electrice

In principiu, orice automobil care are motor de tra ctiune electric este
considerat automobil electric. Sursa de alimentare, aflata pe vehicul, poate fi de
diverse tipuri, insa, pentru majoritatea covarsitoa re a automobilelor electrice
realizate pana in prezent, sursa este o baterie de acumulatoare electrice.

Vehiculele electrice au, fata de vehiculele cu moto are termice, o serie de
avantaje, si anume:
 reducerea drastica a poluarii chimice si fonice;
 posibilitatea de utilizare a unor sisteme de action are sofisticate, oferite
de cele mai moderne realizari in domeniul actionari lor electrice;
 posibilitatea realizarii comode a sistemelor de fra nare antiblocante,
prin utilizarea franarii electrice; daca franrea es te recuperative, se face
si o importanta economie de energie;

9  posibilitatea de actionare individuala a rotilor (e ventual, prin
inglobarea motoarelor de tractiune in roti, realiza nd asanumitele
motoroti); aceasta conduce la simplificarea sisteme lor de transmisie,
cea mai importanta fiind eliminarea diferentialului mecanic.

Principalele dezavantaje pe care le pun automobilele electrice si care
ingreuneaza proliferarea acestora sunt urmatoarele:
 densitatea de energie si de putere a acumulatoarelo r electrice actuale
este semnificativ mai scazuta decat a combustibilil or ( la un automobil
pe benzina densitatea de energie este 10500 Wh/kg, iar la un automobil
electric cu acumulator cu plumb-acid densitatea de energie fiind 161
Wh/kg); aceasta face ca, pe de o parte, autonomia a utomobilelor
electrice sa fie inferioara celei din cazul automob ilelor clasice: 150-250
km, fata de 400-800 km; pe de alta parte, viteza ma xima a
automobilelor electrice (100-130 km/h) este mai sca zuta decat a
automobilelor clasice (cca 200 km/h); de asemenea, acceleratiile
realizate cu automobilele electrice sunt inferioare celor din cazul
automoblielor clasice;
 sunt necesare statii de incarcare a bateriilor de a cumulatoare; acestea
pot fi dotate fie cu acumulatoare preincarcate, car e sa le schimbe pe
cele descarcate de pe automoblile-ceea ce pune prob leme de depozitare
si de asigurare a unei diversitati de baterii, in f unctie de tipurile de
automobile existente, fie cu instalatii de incarcar e a bateriilor direct pe
automobile; in ultimul caz, se pune problema timpul ui de incarcare,
acesta fiind de ordinul orelor pentru o incarcare c ompleta normala
(doar pentru incarcari partiale, el poate fi redus la ordinal minutelor-
zecilor de minute);
 sunt necesare investitii initiale mari, daca produc tia automobilelor este
de serie mica.

Bateriile de acumulatoare cu energii mari si, mai a les, pilele electrice de
combustie ofera, insa, noi posibilitati, justifican d o reevaluare promitatoare a
fezabilitatii vehiculelor electrice rutiere.
In urmatoarea figura este prezentata schema bloc a unui automobil electric :

Fig 1.1.

10
Sistemul de actionare a unui automobil electric tre buie sa satisfaca o serie de
cerinte, cele mai importante fiind prezentate mai j os:
 Pentru o baterie data, autonomia automobilului cres te daca, pe de o
parte, pierderile in sistemul de actionare sunt mai scazute, iar, pe de
alta parte, masa acestui sistem este mai scazuta ( contribuind, astfel, la
scaderea masei totale a automobilului si, implicit, la scaderea energiei
necesare accelerarii si invingerii rezistentei la i naintare a
automobilului); reducerea pierderilor din sistemul de actionare implica
utilizarea unor sisteme de comanda si motoare elect rice de tractiune cu
randamente ridicate: masa sistemului de actionare p oate fi redusa, in
esenta, pe doua cai:
– utilizand acele tipuri de motoare electrice si de convertoare
care au puteri specifice (kW/kg) mari;
– introducand racirea fortata, cu aer sau chiar cu apa, a motorului
si a convertorului ( cu posibilitatea de utilizare a fluidului cald – atunci
cand este necesar – la incalzirea automobilului).
 Sistemul de actionare trebuie sa fie cat mai ieftin posibil, tinand seama
ca bateriile de tractiune sunt, inca, foarte scumpe .
 Componentele sistemului de actionare trebuie sa nu necesite – pe cat
posibil intretinere, pe durata de viata a automobi lului (150000-200000
km).

Sistemul de actionare trebuie sa fie fiabil, foarte rezistent la socuri si la
vibratii

1.3. Modele de automobile electrice

1.3.1.Chevrolet Geo Prism 1994
Primul exemplu de automobil electric prezentat va f i unul modificat
dintrun vehicul de serie (Chevrolet Geo Prism 1994) , propulsat de un motor
cu combustie interna (pe benzina).

Fig.1.2.

Acest vehicul este detinut de catre Jon Mauney.
Modificarile care au dus la transformarea intr-un a utomobil electric:

11  Motorul cu combustie interna a fost inlocuit cu un motor de curent
alternativ;
 Ansamblul ambreiajului a fost scos impreuna cu toba de esapament,
catalizatorul si rezervorul autovehiculului;
 Transmisia manuala a ramas montata pe masina functi onand numai in
treapa a II-a de viteza;
 Motorul de curent alternativ este comandat prin int ermediul unui
invertor (P=50 kW, Uin=300 V cc, Uies=240 V ca, tri fazat);
 Bateriile au fost asezate pe podeaua automobilului;
 50 de baterii de 12 V plumb-acid conectate in serie cate 25 pentru a
avea U in =300 V cc;
 Au fost adaugate motoare electrice pentru: pompa de apa,
servodirectie, aer conditionat;
 Schimbatorul de viteze de la transmisia manuala a f ost inlocuit cu un
comutator, deghizat intr-un schimbator automat pent ru controlul
mersului inainte si inapoi;

Fig.1.3.

 Un mic incalzitor electric a fost adaugat pentru a produce caldura;
 Un incarcator a fost adaugat pentru ca bateriile sa poata fi reincarcate.
Particularitatea acestui autovehicul consta in fapt ul ca are 2 sisteme de
incarcare: unul normal de 120 V / 240 V si unul cu incarcare de la
paleta magnetica inductiva;

Fig.1.4.

12  Indicatorul de carburant a fost inlocuit de un vol tmetru;

Fig.1.5.

Specificatiile tehnice ale autovehiculului construi t:
– autonomie: 80 km;
– acceleratie: 0 – 100 km/h in 15 secunde;
– consum la reincarcare: 12kWh;
– greutatea bateriilor: 500 kg;
– durata de viata a bateriilor: 3 ani.
Pentru a compara costul pe o mila, dintre un autove hicul electric si unul pe
carburant, iata un exemplu: energia electrica in Ca rolina de Nord este 8 centi/kWh
pe timpul zilei si 4 centi/kWh pe timpul noptii. In seamna ca pentru o reincarcare
completa costul este de 1 $ ziua si 50 centi noapte a. Pretul carburantului este de
1,2$ pe galon si masina merge 30 de mile cu un galo n, atunci costul pe o mila este
de 4 centi. In dezavantajul autovehiculului electri c sta costul ridicat al bateriilor
(aproximativ 2000 $). Durata de viata a bateriilor este de 20000 de mile, ceea ce
inseamna 10 centi pe mila.

1.3.2. Tesla Roadster
Al doilea tip de autovehicul electric se numeste Te sla Roadster, este produs
de Tesla Motors.

Fig.1.6.

13 De la 0 – 100 km/h in mai putin de 4 secunde, cu o viteza de varf de 200
km/h. Deoarece nu are ambreiaj, acceleratia este fo arte buna. Nu conteaza in ce
treapta de viteza te afli, acceleratia este mereu i nstantanee.

Autonomia depinde de stilul si conditiile de mers. In general este in jur de
400 km pe o incarcare (mers combinat: oras + autost rada).

a) Care sunt avantajele conducerii unei masini electri ce?
Reducerea dependentei de combustibil, zero emisii n oxe, si un cost de mai
putin de 2 centi pe o mila condusa. Multe zone ofer a locuri de parcare speciale ca
un privilegiu pentru automobilele electrice.

b) Cum functioneaza?
Un vehicul electric nu are o mecanica atat de compl exa ca unul ce foloseste
motor cu ardere interna. De exemplu: motorul in 4 t impi al unui automobil
conventional are peste 100 de parti mobile, in comp aratie motorul de la Tesla
Roadster are doar unul si anume rotorul. In concluz ie, masina transporta o greutate
mai mica si are mai putine piese care se pot defect a in timp. Comparatia nu se
opreste numai la partile in miscare, ci continua cu cosumul de ulei, filtre, ambreiaj,
bujii, filtru de aer, pompa de apa, catalizator, to ba de esapament etc., toate aceste
necesitand service. Toate aceste componente nefiind necesare unui autovehicul
electric.

c) Sistemul de stocare a energiei (ESS)
Atunci cand se doreste construirea unei masini elec trice foarte performante,
cea mai mare provocare o reprezinta inca de la ince put, bateriile. Complexitatea lor
este clara: sunt grele, scumpe si ofera o putere li mitata. Are o calitate care
eclipseaza toate aceste dezavantaje: e curat din pu nct de vedere ecologic.
Blocul de baterii de la Tesla Roadster, reprezinta cea mai mare inovatie pe
care au descoperit-o cei de la Tesla Motors, fiind cele mai avansate tipuri de baterii
din lume, combina tehnologia bazata pe Litiu-Ion cu un bloc de baterii unic care
prezinta mai multe straturi de izolatie. Sunt usoar e, durabile, reciclabile si sunt
capabile sa dezvolte suficienta putere pentru a acc elera autovehiculul de la 0 – 100
km/h in 3,9 secunde.

d) Motorul
Multor oameni le este greu sa creada ca Tesla Roads ter invinge la acceleratie
un Lamborghini, fiind propulsat de un motor electri c de marimea unui pepene
verde. Mai important decat greutatea motorului este randamentul acestuia.
Motoarele construite de Tesla Motors au o eficienta de 85 – 95 %.

e) Transmisia
Tesla Roadster are doar 2 viteze ce iti permit sa c onduci dupa bunul plac,
indiferent daca folosesti treapta de viteza adecvat a sau nu, deasemenea nu exista

14 pedala de ambreiaj. Odata cuplata in viteza din sch imbator, invertorul comanda
motorul.

f) Sistemul Electronic de Comanda al motorului
Majoritatea subsistemelor instalate pe Tesla Roadst er sunt in totalitate
comandate electronic sub supravegherea permanenta u nui calculator de bord. Toata
partea de comanda este integrata intr-un DSP. El co ntroleaza cuplul motorului,
reincarcare, franarea recuperativa si monitorizeaza tensiunea furnizata de baterii,
turatia motorului si temperatura.

1.4. Alte sisteme
a. Un alt concept revoluționar este reprezentat de au tovehiculul electric cu
sistem de extindere a autonomiei și cu un motor cu ardere internă de capacitate mică
și foarte eficient. Dacă, după o călătorie mai lung ă, folosind exclusiv sistemul
electric, nivelul de încărcare al acumulatorului sc ade, sistemul de extindere a
autonomiei are rolul de a încărca acumulatorul. Mot orul cu ardere internă
funcționează permanent în regimul de lucru ideal, d eci consumă o cantitate minimă
de carburant. Următorul pas este reprezentat de aut ovehiculul electric cu un
acumulator de capacitate mare, care este alimentat exclusiv de la rețeaua de energie
electrică, putând fi propulsat fără emisii de noxe, în măsura în care energia de
încărcare este produsă pe căi regenerative.

b. Propulsia cu hidrogen (pilă de combustie)

Fig.1.7.

Energia chimica este transformata în energie electr ica. Componenta esentiala
a fiecarui element individual dintr-o pila cu combu stibil – mai multe astfel de

15 elemente alcatuiesc o baterie – este o membrana per misiva pentru schimbul de
protoni.
Aceasta este interpusa între cei doi electrozi, ano dul si catodul, fiecarui
element al pilei de combustibil. Hidrogenul intra î n element prin zona anodului, iar
catodul este alimentat cu aer. Mai multe asemenea e lemente pot genera împreuna
suficienta enrgie pentru a pune în miscare un vehic ul. Hidrogenul si oxigenul
reactioneaza în interiorul fiecarui element, rezult ând apa în zona catodului. Energia
se degaja în urma acestui proces. Pila cu combustib il asigura conversia energiei
chimice din procesul de oxidare, cunoscut si sub de numirea de "combustie rece",
direct în energie electrica. Gazul rezidual al aces tei reactii consta în vapori de apa
cât se poate de curati.

Atomii de hidrogen sunt descompusi în electroni si protoni în zona anodului.
Protonii, încarcati cu sarcini electrice pozitive, trec prin membrana spre celalalt
electrod, catodul. Electronii, încarcati cu sarcini electrice negative, sunt dirijati
printr-un circuit extern înspre catod.
In esenta, acest curent electric alimenteaza motoru l electric al masinii. In
zona catodului, protonii reactioneaza cu oxigenul, în timp ce electronii determina
formarea a ceea ce se numeste "apa reziduala", în c ea mai mare parte evacuata prin
teava de esapament.
Aproximativ 60% din energia generata în desfasurare a procesului ajunge sa
fie transformata în electricitate.

Tipuri de pile de combustie
 Alkaline Fuel Cells (AFC) – hidroxizi alcalini. Acestia folosesc un
electrolit alcalin cum ar fi hidrura de potasiu. In general solutia de
hidroxid de potasiu in apa ete folosita ca electrol it. Temperatura la care
functioneaza celulele de acest tip este de 150-200 °C si pot genera intre
300W si 5MW. Acest tip de celule au fost folosite p entru prima oara de
NASA la misiunea spatiala Apolo.


Fig.1.8.

 Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC) – carbonat topit. Aceasta pila
de combustie foloseste ca si electrolit carbonati a lcalini. Catalizatorii
sunt otrăviți prin depuneri de metale alcaline, car e blochează centrele
de reacție sau prin acțiunea directă a unor agenți otrăvitori din gazul

16 combustibil. Acestă pila de combustie are o rata ma re de eficienta , in
jur de 60%. Temperatura de operare se situeaza in j urul valorii de
600°C. Datorita acestei temperaturi foarte ridicate acest tip de pile nu
poate fi folosit la consumul domestic.
 Zinc Air Fuel Cells (ZAFC) in acest tip de pile de combustie se afla
un electrod …, un anod din zinc separat de electr olit si un separator
mecanic. Oxigenul reactioneaza cu zincul producand oxidul de zinc, ce
produce electricitate.
 Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) – acid fosforic. Aceste pile care
folosesc acidul fosforic ca electrolit sunt operate la temperaturi de 150-
220°C, deasupra temperaturii de fierbere a apei. La aceste temperaturi,
chiar în absența apei, acidul fosforic prezintă o bună conductivitate
electrică. Ca electrozi se folosesc cărbunele poros , hârtie carbonică sau
carbură de siliciu, iar catalizatorul este pe bază de platină. Hidrogenul,
care constituie combustibilul trebuie să nu conțină CO deoarece acesta
otrăveste catalizatorul de Pt. D. Pilele de tip PAF C sunt deja utilizate
în centralele electrice de mare putere de 5 la 20MW . Temperatura mare
de utilizare permite si generarea de energie termic ă în paralel cu cea
electrică la valori între 50-1000KW. În ultimii ani se testează astfel de
pile si în propulsarea autovehiculelor. Randamentu l global este de cca
80%, din care cca 37-42% corespunde conversiei în e nergie electrică.

 Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) – membrana
acida polimerizata cu schimb de protoni. PEMFC util izeaza un
electrolit polimerizat in forma unei membrane foart e subtiri si
permeabile. Polimerul folosit contine de obicei un derivat organic al
acidului perfluorosulfonic prins intr-un lant de po litetrafluoretilen
(PTFE sau teflon). Acest lant contine din loc in lo c structuri chimice
terminate cu gruparea SO 3H. Hidrogenul acestei grupari se disociaza
de molecula cand aceasta este umezita si apare in s olutie ca proton. Pe
de alta parte, anionii SO 3 sunt mai degraba prinsi in molecula
polimerului decat liberi in solutie. Acesta este un ul dintre avantajele
principale ale acizilor polimerizati. Protonii libe ri in solutie se pot
astfel deplasa si mobilitatea lor sta la baza a cee a ce s-a numit
“conductie protonica”. De aici vine si denumirea ac estui tip de pila
(PEM): de la expresia “proton exchange membrane” sa u, de asemenea,
de la “polymer electrolyte membrane”. Membranele de polimer acid
pot fi realizate in folii extrem de subtiri, sub 50 µm, facand posibila
micsorarea dimensiunilor pilei si prin urmare, obti nerea unor densitati
de putere crescute. Scaderea grosimii foliei de ele ctrolit scade
considerabil rezistenta interna a pilei si, prin ur mare, scad si pierderile
resistive din interiorul ei. Unul dintre polimerii cei mai folositi este
deja renumitul “Nafion”. Acesta este un copolimer d e acid
perfluorosulfonic si PTFE in forma acida, realizat cu aproximativ 40 de

17 ani in urma de firma Dupont. Membranele Nafion PFSA au o utilizare
larga in pilele de combustie cu membrana cu schimb de protoni (PEM).
Membrana functioneaza ca un separator si un electro lit solid ce permite
transportul selectiv de cationi prin jonctiunea pil ei. Polimerul este
rezistent din punct de vedere chimic si durabil. De si utilizarile initiale
ale Nafionului au vizat realizarea de membrane sepa ratoare in industria
electrochimica, in special in domeniul separarii cl orurilor alcaline,
aplicatiile ulterioare au fost variate, dar cea mai importanta este la
realizarea pilelor de combustie. Catalizatorul, de obicei platina, este
depus sub forma de nano clusteri (3-5 nm) pe un sup ort de grafit –
particule de grafit de 0,7 – 1 µm si incastrate cu o parte intr-o folie de
hartie grafitata. Doua folii sunt aplicate pe ambel e parti ale membranei
formand straturile de catalizator pentru anod si ca tod. Acest ansamblu
PEM este cunoscut sub numele de membrana cu cataliz ator depus
(CCM). Eficienta electrica este intre 40-50% si tem peratura de operare
– in jur de 60-120°C. Pilele astfel realizate gener eaza intre 50 si
200KW.

 Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) – metanol direct. Metanolul este
lichid, deci poate fi utilizat usor. Functioneaza f ara un convertor.
Electrolitul este o membrana, iar temperatura de lu cru 60-130°C. O
companie germana a introdus o celula cu combustibil "portabila" ce
utilizeaza tehnologia direct methanol fuel cell, fa ra a implica grelele
componente mecanice asociate in general cu generare a de electricitate.
Acestea utilizeaza un cartus reincarcabil cu metano l lichid si poate fi
purtat intr-un buzunar pentru a alimenta bateriile. Acesta functioneaza
silentios atat in pozitie verticala cat si orizonta la . Astfel se estimeaza
ca unitatea ar putea reduce cu pana la 70% greutate a bateriilor.
Temperatura de lucru cuprinsa intre 30-130°C

 Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) – oxizi solizi. Pilele de tip SOFC sunt
operate la temperaturi mari, uzual în jur de 1000° C. Atât electrozii cât
si electrolitul sunt solizi, eliminând în totalitat e posibilitatea pătrunderii
electrolitului în structura poroasă a electrozilor. Temperatura mare de
operare limitează mult materialele utilizate pentru elementele pilei.
Cercetările au fost focalizate în realizarea unei p ile de formă tubulară,
constând dintr-un suport ceramic poros tubular, înc onjurat de anod,
electrolit si catod. Forma tubulară asigură o mai b ună etansare pentru
circuitul de gaze decât formele plane. Anodul este realizat din Ni
metalic cu oxid de ytriu (Y 2O3) stabilizat cu ZrO 2, iar catodul este pe
bază de perovskiți de tipul La 1-xSrxMnO 3 (manganit de lantan dopat
cu Sr). Anodul si catodul au structuri poroase pent ru a permite difuzia
combustibilului (hidrogenul) si a produselor de rea cție.

18 Tabelul.1.1.

Avantajele si dezavantajele pilelor de combustie

Avantajele utilizarii pilelor electrice cu combusti e:
– randament ridicat (70% ÷ 85%) chiar si la functio nare sub o sarcina partiala
– nu exista piese in miscare (exceptie: ventilul pe ntru reglarea debitului de
gaze)
– functionare silentioasa
– exista posibilitatea utilizarii caldurii rezidual e
– poluare aproape nula
– fiabilitate mult mai mare decat a motoarelor cu a rdere interna, datorata
numarului redus de componente mobile
– in cursul functionarii se produce o emisie slaba de oxizi de azot (nocivi)
– comparativ cu celelalte tipuri de pile, ele funct ioneaza la temperaturi joase
(aprox. 80°C) ceea ce le confera avantajul unei ine rtii mici la intrarea in regimul de
lucru.
– utilizand o tehnologie interna speciala de reform are, pilele de combustie de
tip PEM pot utiliza, virtual, orice tip de combusti bil bogat in hidrogen incluzand
metanolul, etanolul, gazele naturale si benzina.

Dezavantajele utilizarii pilelor electrice cu combu stie :
– pretul de cost este inca relativ ridicat
– instalatia este sensibila in cazul contactului ce lor doua gaze combustibile

19 – tensiunea electromotoare nu ramane constanta, ci scade in timpul
functionarii

1.5. Particularitati ale automobilelor electrice

Un autovehicul electric este compus din:
 motor electric;
 controler;
 baterie.
a. Motorul electric
Un autovehicul electric poate fi echipat cu un moto r de curent alternativ sau
un motor de curent continuu.
Daca motorul este de curent continuu, atunci el va avea o tensiune de
alimentare cuprinsa intre 96 – 192 V.
Daca motorul este de curent alternativ, atunci el v a avea o tensiune de
alimentare cuprinsa intre 240 – 300 V. De obicei su nt trifazate asincrone sau
sincrone fara perii.
Cazurile de mai sus sunt generale, deci pot exista si motoare care sa se
alimenteze la alte tensiuni.
Motoarele de curent continuu sunt mai usor de insta lat si mai ieftine. In
general un motor are intre 20–30 de kW, iar chopper ul intre 40–60 kW (de
exemplu: un chopper alimentat de la 96 V va putea f urniza maxim 400–600 A).
Acest tip de motoare pot fi suprasolicitate pentru perioade scurte de timp, fara sa se
deterioreze. Aceasta caracteristica da autovehiculu lui respectiv o acceleratie rapida.
Motoarele de curent alternativ sunt folosite aproap e in intreaga industrie, deci
se poate gasi mult mai usor unul potrivit si pentru un vehicul electric. In timpul
franarii, motorul se transforma in generator si inc arca bateriile prin intermediul
invertorului, care poate functiona si ca redresor.
In urmatorul tabel vor fi prezentate diverse motoar e de tractiune:
Tabelul 1.2.

20 Dintre toate tipurile de motoare electrice, cea mai promitatoare solutie pentru
actionarea considerate se arata a fi motorul de c.c fara perii. Intr-adevar, acest motor
nu are rival in privinta a doua caracteristici impo rtante: randamentul si dimensiunile
(masa). In plus, nu are contacte alunecatoare, impl icand, deci, o intretinere foarte
simpla.
De asemenea, el permite un reglaj foarte simplu al vitezei; invertorul sau
PWM este actualmente binecunoscut si in continuu pr ogress din punct de vedere al
pretului, fiabilitatii si compactizarii.
Este adevarat ca, deocamdata, pretul acestui motor este ridicat, datorita
costului magnetilor permanenti, dar el trebuie cons iderat in corelatie cu celelalte
costuri: al energiei consumate de automobil – mai s cazuta datorita randamentului
mai ridicat si greutatii mai mici; al schemei de co manda – relativ simpla; al
intretinerii foarte putin pretentioase. In plus, se intrevede o scadere in timp a
costului magnetilor permanenti, ceea ce va determin a si o scadere a pretului
motorului.

Transmiterea cuplului motor la roti

Una dintre cele mai importante probleme ale tractiu nii bazate pe aderenta o
constituie modul de amplasare a motorului de tracti une pe vehicul si de actionare a
rotilor motoare, acesta trebuind sa asigure atat tr ansmiterea cuplului motor, cat si
protejarea motorului de tractiune fata de socurile primite de la calea de rulare. In
plus, la vehiculele cu roti pneumatice, transmitere a cuplului motor trebuie sa se faca
astfel incat sa se asigure independenta rotilor mot oare, pentru a reduce uzura
pneurilor.
Deseori, parametrii sistemului de transmisie si par ametrii electrici si mecanici
ai motorului de tractiune se conditioneaza reciproc . La aceasta contribuie si faptul
ca, spre deosebire de actionarile stationare, gabar itele care stau la dispozitie pe
vehiculele electrice sunt restranse. Actionarea ro tilor motoare ale unui automobil
electric poate fi:
 individuala , la care fiecare roata motoare este actionata de c ate un
motor;
 colectiva , la care un motor actioneaza un grup de roti. Solu tia clasica
de actionare a automobilelor electrice (utilizata s i la automobilele cu
motoare termice) este aceea a actionarii collective .

Fig. 1.9. Principiul constructiv al unui diferentia l mecanic (M-motor de tractiune;PN-pinion;RD-roata
dintată;CD-carcasa diferential;P-planetară;S-sateli t;RM-roti motoare)

21 Pentru ca, o data cu transmiterea cuplului de la mo tor la roti, sa se asigure si
independenta rotilor, in acest caz, este necesara u tilizarea unui diferential mecanic,
existand diverse solutii pentru realizarea acestuia . In figura urmatoare este
prezentata una dintre cele mai simple solutii.
Diferentialul propriu-zis este format din “carcasa” CD, rotile dintate-
planetare P si rotile dintate-sateliti S. Cuplul se transmite de la motorul M la carcasa
diferentialului, prin intermediul unui reductor for mat din pinionul PN – fixat pe
arborele lui M – si roata dintata RD – fixate pe CD (pentru simplitate, sa considerat
ca reductorul are o singura treapta, cu roti dintat e cilindrice). In continuare, cuplul
transmis planetarelor (si, implicit, rotilor automo bilului, rigidizate pe axele
corespunzatoare ale planetarelor) prin intermediul satelitilor, acestia din urma
putandu-se, eventual, roti in jurul axelor proprii. In acest fel, se asigura
independenta relativa a celor doua roti motoare RM1 si RM2.
Acest sistem are o serie de dezavantaje:
 randamentul actionarii este micsorat de frecarile i ntroduse de
diferential;
 diferentialul contribuie la cresterea greutatii aut omobilului;
 diferentialul are un cost relativ ridicat si necesi ta o intretinere
suplimentara.
Pentru inlaturarea acestor dezavantaje, la automobi lele electrice moderne se
utilizeaza actionarea individuala, fiecare roata mo toare avand motorul sau.
In acest caz, al actionarii individuale, cuplul poa te fi transmis rotilor motoare
in doua moduri:
 direct;
 prin angrenaje.
La transmiterea directa , rotorul motorului este solidar (eventual, prin
intermediul unei transmisii cardanice – permite dep lasarea relativa pe verticala intre
anumite limite a rotilor fata de cadrul automoblilu lui -) cu roata motoare, turatia
rotii fiind, deci, egala cu turatia motorului.
La transmiterea prin angrenaj , intre motor si roata motoare se dispune un
angrenaj reductor, care face ca turatia rotii sa fi e inferioara turatiei motorului
(raportul de transmisie i t>1).

Fig. 1.10. Transmiterea cuplului de la motorul de tractiune la roti: a)directă;b)prin
angrenaj; (M-motor;RM-roata motoare;R-redactor)

Cu toate ca transmiterea directa a cuplului este ma i simpla, ea nu este folosita
decat in cazuri foarte rare – cand simplitatea cons tructiei este hotaratoare – , avand
urmatoarele dezavantaje esentiala:

22  demontarea motorului pentru revizii necesita scoate rea rotii motoare;
 vitezele uzuale, relativ reduse, de circulatie impl ica motoare cu turatii
reduse; acestea au, la o putere data, gabarite si g reutati mai mari decat
motoarele cu turatii ridicate; la motoarele electri ce uzuale, din
considerente de gabarit si de utilizare economica a materialelor active
(cupru, fier), viteza periferica a rotorului trebui e sa fie mai mare de cca
50 m/s; constructive, sa fie cel mult 70% din diame trul rotii; admitand
viteza periferica a rotorului 50 m/s, rezulta ca vi teza vehiculului trebuie
sa fie egala cu cel putin (50/0,7) m/s=71 m/s=266 k m/h, pentru ca
motorul sa fie bine utilizat.

b. Controler (chopper / invertor)

Fig.1.11.

Un chopper conectat la baterii alimenteaza mai depa rte motorul electric de
curent continuu. Atunci cand pedala este apasata la maxim, Chopperul furnizeaza la
bornele motorului intreaga tensiune de 96 V furniza ta de baterii. Daca pedala nu
este apasata deloc, atunci chopperul nu comanda mot orul, rezulta ca masina sta pe
loc. Chopperul poate furniza motorului o tensiune c uprinsa intre 0 – 96 V in functie
de cat de mult este apasata pedala de acceleratie.

Fig.1.12.

23 Semnalul dat de potentiometre spune chopper-ului câ t de multa putere sa
furnizeze motorului electric. Sunt doua potentiomet re din motive de siguranta,
chopper-ul citeste ambele potentiometre si se asigu ra ca ambele dau acelasi semnal.
Daca nu, chopper-ul nu functioneaza.
Majoritatea choppere-lor functioneaza la o frecvent a de 15 kHz pentru a nu fi
auzite de urechea umana. Pulsurile in motor cauzeaz a o vibratie a motorului egala
cu frecventa, iar o frecventa egala sau mai mare cu 15 kHz insemnand o functionare
silentioasa a masinii. Daca autovehiculul este echi pat cu un motor de curent
alternativ, vom folosi un invertor, iar schema bloc va arata ca in poza urmatoare:

Fig.1.13.

Invertorul transforma curentul continuu furnizat de baterii, in curent
alternativ trifazat. La un invertor este necesar ca elementele semiconductoare sa fie
comandate decalat cu 60 grade electrice, pentru a e vita situatia aparitiei unui scurt-
circuit la bornele bateriei. La un invertor avem ne voie de 6 elemente
semiconductoare, fata de unul singur la chopper, de aici rezulta ca pretul unui
invertor este sensibil mai ridicat decat al chopper -ului.

c. Baterii

Dupa cum se stie alimentarea motoarelor de tractiun e ale automobilelor
electrice se face, uzual, de la baterii electrice, care in esenta sunt formate prin
formarea, in diverse conexiuni a mai multor element e – surse electrochimice.
Sursele electrochimice convertesc energia chimica i n energie electrica.
Veriga slaba intr-un autovehicul electric o reprezi nta bateriile. Sunt cel putin
6 mari probleme ale bateriilor plumb-acid:

 sunt grele (un bloc de baterii poate cantari 500 kg );
 sunt voluminoase (autovehiculele devin robuste);
 au capacitate limitata (poate furniza intre 12 – 15 kWh, ceaa ce poate
insemna o autonomie de 80 km);
 procesul de incarcare necesita timp indelungat (apo rximativ 10 h);
 au o durata de viata relativ scurta (3 – 4 ani, sau 200 de reincarcari);
 sunt destul de scumpe (aproximativ 2000 $).

24 Bateriile plumb-acid pot fi inlocuite cu cele NiMH (nichel hidruri metalice).
Autonomia autovehiculului se va dubla, iar bateriil e au o durata de viata de
aproximativ 10 ani, dar costul bateriilor este de 1 0 – 15 ori mai ridicat decat cel al
bateriilor plumb-acid. Cu alte cuvinte, bateriile NiMH costa aproximativ 20000 –
30000 $, iar cele cu plumb-acid costa doar 2000 $. Daca privim probleme
referitoare la baterii, vom avea o perspectiva dife rita asupra folosirii benzinei si
anume: la 7,5 litri de benzina ceea ce inseamna o g reutate de 7 kg, costa 3 dolari si
dureaza 30 de secunde pentru a o introduce in rezer vor; este echivalentula 500 kg
de baterii plumb-acid care costa 2000 $ si dureaza 4 h incarcarea. Problemele pe
care le au bateriile explica de ce se pune accent a supra dezvoltarii pilelor de
combustie. Acestea sunt mult mai mici, mai usoare, poluare chimica redusa,
randament energetic ridicat (60%), densitate masica a energiei ridicata si se
reincarca foarte rapid. Este evident ca autovehicul ele viitorului vor folosi motorul
electric pentru tractiune, iar energia electrica ne cesara va fi produsa de catre pilele
de combustie.

Tipuri de baterii

 acumulatori plumb-acid;
Caracteristi teoretice:
– tensiunea unei celule : 2,1 V;
– densitatea de energie : masica 161 Wh/kg; volumic a 686 Wh/l.
In cazul acumulatoarelor cu plumb-acid uzuale, apa din electrolit se pierde in
timp (prin evaporare, precum si prin descompunereai ei in H2 si O2 care se degaja
la electrozi); de aceea, ea trebuie completata peri odic. Pentru evitarea sulfatarii
electrozilor, acumulatoarele trebuie reincarcate im ediat dupa descarcarea lor. De
asemenea, are loc o autodescarcare (descarcare fara a avea conectata o sarcina) a
acumulatoarelor, ceea ce impune reincarcarea lor du pa perioade mari de neutilizare.
Rezulta necesitatea unei intretineri pretentioase a acestor acumulatoare.
Tehnologiile moderne permit realizarea acumulatoare lor cu plumb-acid in asa
numita varianta “fara intretinere”. In acest caz ac umulatoarele sunt capsulate, au o
constructie adecvata a electrozilor, iar electrolit ul este “solidificat”, fie fixat intr-un
gel, fie absorbit in materiale poroase de tip “vata ”. La aceste acumulatoare,
pierderile de apa sunt neglijabile, autodescarcarea este foarte redusa (circa 35 % din
capacitatea nominala, dupa 12 luni), iar sensibilit atea lor la descarcari ocazionale
outernice, la vibratii si la temperaturi joase este mult scazuta. Desi folosesc electrozi
solidificati, densitatea de energie mai ales la des carcari rapide si temperaturi scazute
este mai mare decat a acumulatoarelor uzuale. Desig ur toate aceste se obtin cu
pretul unui cost mai ridicat.
Avantaje:
– sunt relativ ieftine;
– au un numar relativ mare de cicluri de icnarcare – descarcare;
– folosesc pentru electrozi pumbul care este dispon ibil in cantitati mari;
– se poate realiza in varianta “fara intretinere”;
– exista productie in serie;

25 – la iesirea lor din functiune, plumbul din electro zi poate fi usor
reciclat.
Dezavantaje:
– au densitate redusa a energiei, ceea ce implica g reutati si volume
mari;
– puterea lor scade odata cu descarcarea;
– capacitatea si energia lor scad, la temperaturi s cazute;
– ofera posibilitati limitate de incarcare rapida ( incarcarea lor completa
se face pe timp de cateva ore);
– sunt sensibile la supracurenti (de incarcare sau descarcare).

 acumulatori Ni-Cd;
Caracteristi teoretice:
– tensiunea unei celule : 1,3 V;
– densitatea de energie : masica 209 Wh/kg; volumic a 693 Wh/l.
Dintre celelalte tipuri de acumulatoare, perspectiv a de a fi utilizate in
tractiune, datorita energiilor lor specifice ridica te, o au cele cu sodiu-sulf (NaS),
precum si cele bazate pe litiu (Li). Pentru a obtin e o conductivitate suficienta a
electrolitului solid este necesara o temperatura ri dicata (intre 300 – 400 oC; uzual
330 oC). Functionarea la o astfel de temperatura ne cesita o izolare termica
compacta si eficienta. De regula se foloseste o izo latie termica vacuumata care
acopera complet celulele acumulatorului, lasandu-se doar locuri pentru realizarea
conexiunilor electrice. In incinta termica se insta leaza un incalzitor electric precum
si un schimnbator de caldura lichid (pentru racirea celulelor in cazul unor descarcari
puternice).
Avantaje:
– au un numar foarte mare de cicluri de incarcare descarcare;
– puterea lor se mentine relativ constanta dupa o descarcare partiala;
– au o comportare foarte buna la temperaturi scazut e;
– ofera posibilitatea reincarcarii rapide
– nu necesita intretinere (acumulatoare capsulate);
– exista productie in serie.

Dezavantaje:
– sunt scumpe (datorita costului ridicat al cadmiul ui);
– pun probleme ecologice, cadmiul fiind toxic;
– incarcarea lor pune probleme la temperaturi ridic ate;

 acumulatori Na-S;
Caracteristi teoretice:
– tensiunea unei celule : 2,1 V;
– densitatea de energie: masica 792 Wh/kg; volumica 1196 Wh/l.
Principalele obstacole in utilizarea acestor bateri i pe automobilele electrice
sunt: numarul redus de cicluri incarcare – descarca re si puterea specifica scazuta la
functionarea continua.

26
 acumulatori litiu-ion

Un rol esențial în vederea dezvoltării sistemelor d e propulsie electrice îl au
acumulatorii litiu-ion, adevărate "rezervoare" de e nergie electrică. în cadrul joint
venture-ului lor, SB LiMotive, Bosch și Samsung SDI și-au unit puterile pentru a
dezvolta această tehnologie și pentru industria aut o. Principalul obiectiv al acestei
colaborări este acela de a mări de până la trei ori densitatea energiei în aceste
baterii, precum și reducerea costurilor cu două tre imi. Acumulatorii trebuie să fie
concepuți astfel încât să ofere o mare rezistență l a cicluri și o durată lungă de viață,
garantând în același timp o funcționare sigură în t oate condiț  iile de temperatură și
de funcționare.
Primul client al companiei SB LiMotive pentru celul ele de acumulatori litiu-
ion este BMW. Producătorul german de automobile va utiliza celule de acumulatori
pentru autovehiculele electrice dezvoltate în preze nt în cadrul proiectului
"Megacity Vehicle".

d. Utilizarea ultracondensatoarelor

Conectand in paralel cu bateria de acumulatoare con densatoare cu capacitati
ridicate (actualmente se realizeaza condensatoare c u dimensiuni rezonabile, avand
capacitati de ordinul a 600 F, la 3 V), acestea di n urma pot asigura energiile
necesare in cazul pornirilor vehiculului sau al alt or suprasarcini, menajand, astfel,
bateria de acumulatoare si asigurand o autonomie ma i ridicata a autovehiculului.

1.6. Concluzii

Avantaje si dezavantaje ale folosirii autovehiculel or electrice in locul
autovehiculelor cu motoare clasice cu combustie int erna.
Avantaje :
– au un cost de exploatare aproape gratuit (circa 1 euro/100km);
– se pot conduce usor, (unele nu au comenzi cu peda le pot fi utilizate si de
catre anumite persoane cu handicap fizic);
– intretinere simpla, usor de manevrat in parcare s i de incarcat bateriile;
– nu fac zgomot si nu emana fum, oxid de carbon, me tale grele si alte noxe
daunatoare mediului si vietii;

27 – nu consuma suplimentar la stationarea temporara – in trafic- la semafoare,
etc;
– posibilitatea de utilizare a unor sisteme de acti onare sofisticate, oferite de
cele mai moderne realizari in domeniul actionarilor electrice;
– posibilitatea realizarii comode a sistemelor de f ranare antiblocante, prin
utilizarea franarii electrice; daca franrea este re cuperative, se face si o importanta
economie de energie;
– posibilitatea de actionare individuala a rotilor (eventual, prin inglobarea
motoarelor de tractiune in roti, realizand asanumit ele motoroti); aceasta conduce la
simplificarea sistemelor de transmisie, cea mai imp ortanta fiind eliminarea
diferentialului mecanic;
– au cuplu constant la variatii ale turatiei in lim ite mari.
Dezavantaje:
– principalul dezavantaj este acela al autonomiei r eduse;
– au cost de achizitie ridicat;
– bateria de acumulatori are o densitate de energie scazuta, o durata de viata
relativ mica limitata de numarul de cicluri incarca re – descarcare, timpi mari de
incarcare;
– cheltuielile pentru intretinerea bateriilor sunt destul de ridicate;
– sunt necesare statii de incarcare a bateriilor de acumulatoare; acestea pot fi
dotate fie cu acumulatoare preincarcate, care sa le schimbe pe cele descarcate de pe
automoblile-ceea ce pune probleme de depozitare si de asigurare a unei diversitati
de baterii, in functie de tipurile de automobile ex istente-, fie cu instalatii de
incarcare a bateriilor direct pe automobile; in ult imul caz, se pune problema
timpului de incarcare, acesta fiind de ordinal orel or pentru o incarcare completa
normala (doar pentru incarcari partiale, el poate f i redus la ordinal minutelor-zecilor
de minute);
– sunt necesare investitii initiale mari, daca prod uctia automobilelor este de
serie mica.

28
Cap.2. AUTOMOBILUL HIBRID

2.1. Introducere

Un scurt istoric al evoluției automobilului cu prop ulsie hibridă, care apare
pentru prima dată la inceputul secoluluoi XX, ne ar ată că, în 1901, Ferdinand
Porsche a proiectat vehiculul hibrid numit „Mixte”, care a doborat numeroase
recorduri de viteza, si a castigat raliul Excelberg in 1901, pilotata de Ferdinand
Porsche.
Avea un mic pachet de baterii pentru sustinere. A a tins o viteza de 50 km’h si
o putere de 5.22 kW.
In 1915, producătorul de vehicule electrice Woods M otor Vehicle a realizat
vehicolul „Dual ower”, cu un MAI si un motor electr ic. La viteze mai mici de 25
km/h, vehiculul era antrenat numai de un motor elec tric actionat de un pachet de
baterii, iar la viteze de peste 25 km/h intra in fu nctiune motorul cu ardere interna
care propulsa vehiculul cu o viteza de pana la 55 k m/h
In 1931, Erich Gaichen a inventat un vehicul a caru i caracteristici au fost
folosite mai tarziu in proiectare de vehicule hibri de. Bateriile vehiculului era
incarcate de motorul electric cand masina cobora pa nte. Putere aditionala pentru
incarcarea bateriilor era produsa de un cilindru cu aer comprimat care era reincarcat
de pompe mici de aer activate de vibratiile sasiulu i si de frane.
Sistemul de franare regenerativa, conceptul cheie a majoritatea producatorilor
de hibride, a fost dezvoltat de David Arthur in ani i 1978 pe un Opel GT.
In 1989, Audi a produs primul vehicul hibrid prin v ehiculul experimental
Audi Duo. Acest vehicul avea un motor electric Siem ens de 12,6 kW care actiona
rotile din spate ale vehiculului. Un pachet de bate rii Nichel-Cadmiu era amplasat in
portbagaj pentru actionarea motorului electric. Rot ile din fata erau actionate de un
motor de 2300 cmc in 5 cilindrii care dezvolta o pu tere de 136 CP. Ideea era de a
produce un vehicul care sa circule propulsat numai de motorul electric in interiorul
oraselor, si de MAI in exteriorul acestora. Modul d e operare putea fi ales de
conducator. Doar 10 de astfel de vehicule au fost c reeate, deoarece masina era mult
ingreunata de sistemul electric. Vehiculele erau mu lt mai putin eficiente cand erau
propulsate de motorul cu combustie decât modele sta ndart Audi 100 echipate cu
acelasi motor.
Autovehiculele hibride au fost facute cunoscute pub licului in anii 1990 prin
modelele Honda Insight si Toyota Prius, si sunt văz ute de mulți producători ca
tehnologiile viitorului pe piața auto.

Diferenta dintre o masina hibrid si una electrica e ste aceea ca hibridul este
dotat cu doua motoare: unul pe carburant si unul el ectric. Aceste motoare pot
functiona simultan in timpul mersului.
Spre doesebire de un hibrid, masina electrica este dotata cu un singur
motor ce functioneaza cu acumulatori care pot fi incarca ti cu energie electrica.

29 Masina hibrid reduce emiterea de CO2 pe cand masina electrica nu emite noxe
deloc.
De obicei masinile hibrid sunt dotate cu 2 motoare: unul normal ce
functioneaza pe combustibil si unul electric care f oloseste acumulatori. Cel din
urma este folosit de obicei atunci cand masina rule aza cu o viteza cuprinsa intre 1-
80 km/h iar cand aceasta viteza este depasita trece rea se face automat pe motorul ce
foloseste combustibil. Aceste conditii de rulare su nt cat se poate de justificate avand
in vedere ca zonele cu cel mai inalt grad de poluar e sunt orasele iar viteza de
deplasare in oras este aproximativ intre 1-80 km/h. Acumulatorii pentru motorul
hibrid folosesc 2 surse de incarcare. Prima sursa e ste priza normala iar a doua sursa
este energia data de masina aflata in miscare (un p rincipiu asemanator cu cel al
dinamului).
Fiind o tehnologie noua, putem fi siguri ca va bene ficia de imbunatatiri
constante din partea constructorilor auto. O imbuna tatire recenta fiind chiar sistemul
inteligent de utilizare al pistoanelor in functie d e viteza de deplasare.

Fig.2.1.

Modelul vehiculului electric hibrid

Fig.2.2.

Se consideră un vehicul electric hibrid cu structur ă de tip paralel. In regimul
de motor, mașina electrică furnizează putere la roț i, fiind alimentată de la baterie. în
regim de generator, ea va prelua energia cinetică d e la roți și o va transforma în
energie electrică stocată în baterie. La puteri mar i, când cuplul cerut de șofer TSofer

30 depășește cuplul motorului termic TMT , mașina electrică va furniza de asemenea
putere TME la roți:

TSofer = TMT+ TME

La frânare, mașina electrică va recupera energie, c are, la vehiculul clasic, se
pierde prin frecare în sistemul de frânare mecanic. Algoritmul de management al
energiei are în vedere modul de furnizare a puterii electrice TME , pe baza stării de
încărcare a bateriei, cu scopul de a folosi motorul termic la un punct de funcționare
cât mai eficient.

Principiul general al propulsării hibride

Sistemele hibride de propulsie utilizate la automob ile sunt sisteme la care
energia pentru autopropulsare este furnizată de cel puțin două surse bazate pe
principii diferite de generare a energiei.

Fig.2.3. Organizarea generala a unui sistem hibrid de propulsie

După cum se poate constata în figura 2.3., cele 3 c omponente principale ale
unui sistem hibrid de propulsie sunt urmatoarele:
– Un transformator de energie ireversibil a;
– Un sistem de stocare a energiei reversibile;
– Un sistem de cuplare

Transformatorul de energie ireversibilă , constituie un sistem deschis ce
utilizeaza un combustibil stocat în rezervor si oxi genul din aer. El produce energie
si emite produsi de degradare generați prin reacții chimice .
Aceasta componenta poate fi:
 un motor termic cu ardere internă sau externă, alte rnativă sau continuă;
 un generator cu pilă cu combustibil;

31  un generator electrochimic reîncarcabil

Sistemul de stocare a energiei reversibile .
Acest sistem închis constituie un rezervor ce poate furniza sau primi energie
din partea altor componente.
El poate fi:
• un acumulator electrochimic;
• un super-condensator;
• un volant de inertie;
• un sistem oleo-pneumatic;

În anumite situații acumulatorul electrochimic poate fi reîncarcat de la o sursă
externă .
Sistemul de cuplare asigură legatura între celelalte două componente (s urse
energetice) și roțile motoare ale vehiculului.
Acest sistem reversibil poate avea componente mecan ice (ambreiaje, cutii de
viteze, mecanisme planetare, pompe) și/sau componen te electrice (motoare,
generatoare, etc).
Caracterizarea si clasificarea sistemelor hibride s e poate face în functie de
tipul transformatorului de energie , tipul sistemului de stocare si tipul sistemului de
cuplare.

2.2. Componentele sistemelor hibride de propulsie

a. Transformatorul de energie
Această componentă are pentru sistemul hibrid de pr opulsie rolul de a furniza
total sau parțial energia necesară autopropulsării vehiculului.
Ea trebuie sa dispună de o energie masică și volumi că sporită.

Transformatoare de energie pentru propulsia automob ilelor (tab.2.1)

32

În tabelul 2.1, de mai sus, sunt prezentate sinteti c principalele soluții
tehnologice posibile de transformatoare de energie.
Principalele tipuri de transformatoare de energie s unt:
 Ma șinile termice;
 Pilele sau generatoarele electrochimice

Mașinile termice
Acestea transforma energia chimica a combustibilulu i în energie mecanica
prin oxidarea atomilor de carbon cu ajutorul oxigen ului continut în aer.
Masinile termice pot fi clasificate după modul de a rdere sau după
functionarea lor mecanică astfel:
– Motoare cu ardere internă ciclică (alternativă);
– Motoare cu ardere continuă
Motoare cu ardere interna ciclic a (alternativ a) cu ciclul de functionare în 2
timpi sau în 4 timpi, cu aprindere comandat a (prin scânteie) sau prin comprimare
(cu injectie directa sau indirecta) alimentate cu c ombustibil lichid sau gazos.
Randamentele maxime pot atinge 35-40%. Acest tip de transformator este
utilizat la majoritatea hibridelor;

Fig.2.4.

33
Motoare cu ardere interna , continuă- Turbina cu gaze.
Mașinile rotative utilizate sunt bazate în general pe soluția centrifugală pentru
compresor și radială pentru turbină.
Ele pot fi cu o treaptă sau cu două trepte , cu recuperator rotativ sau cu
recuperator static , alimentate cu combustibil lichid sau gazos.
Randamentele obținute ating astazi 30% pentru puter i cuprinse între 40-
100kW.
Randamentele așteptate în viitor vor fi de peste 40 % iar emisiile vor fi reduse
simțitor mulțumită arderii catalitice;

Fig.2.5.

Motorul cu ardere externa continuă – Motorul Stirling
Este o mașină termică cu piston (pistoane) in mișca re alternativă la care
evoluția gazului (pur) are loc in circuit inchis;
Gazul este supus la o diferența de temperatură intr e o sursă caldă și una rece;
Caldura este transmisă de la un incălzitor fie prin tr-un schimbător de caldura
fie direct prin pereții părții superioare a cilindr ului;
Comprimarea și dilatarea gazului determină mișcarea pistoanelor.
Acesta permite atingerea unor randamente ridicate d e pâna la 40% și emisii
poluante reduse ca urmare a arderii continue.

Fig.2.6. Motorul Stirling

34 Industrializarea sa poate pune probleme legate de t emperatura de functionare
(ce trebuie sa fie cât mai ridicată) și de dificult atea realizării unei bune etanșeități în
interiorul mașinii.
O societate suedeza a produs în anii 90 motoare Sti rling de putere redusă
cuplate la un generator electric.
O putere electrică de 8 KW poate fi obținută cu un randament global de 33%
și cu emisii poluante reduse.

Pilele sau generatoarele electrochimice .

Aceste componente transforma energia chimica contin uta în produsii reactivi
direct în energie electrica.
Pentru propulsia electrica si hibrida se disting ur matoarele tipuri de
generatoarele electrochimice:
– pila cu combustibil;
– generatorul zinc-aer

Pila cu combustibil este un generator electrochimic la care produsele r eactive
(hidrogenul si oxigenul din aer) provin din sistemu l de stocare exterior si din aerul
ambiant.
Hidrogenul poate fi:
-stocat direct la bord (sub presiune, sub forma criogenica, sau prin
intermediul hidrurilor metalice);
-obtinut prin reformarea metanolului, gazului natural, motorinei sau benzine i.
Randamentul pilei poate atinge 45-55%.
La ora actuala exista mai multe realizari bazate pe pila cu combustibil pentru
autoturisme si autobuze urbane.

Fig.2.7.

35 Generatorul zinc-aer este un generator electrochimic care utilizeaza un anod
de zinc si oxigenul din aer.
Acest generator electrochimic are foarte buneperfor mante specifice (200
Wh/kg si 100 W/kg) si poate fi reîncarcat mecanic î n câteva minute prin schimbarea
anozilor de zinc.
Tratarea prin dizolvare si electroliza permite reci clarea zincului pentru noi
reîncarcari.
În tabelul 1, prezentat la inceputul capitolului, s unt prezentate sintetic
principalele solutii tehnologice posibile de transf ormatoare de energie.
Putem constata ca anumite configuratii permit obtin erea directă a energiei
electrice sau mecanice dorite (cazul 4 si 2) ele fi ind cele mai performante din punct
de vedere al randamentului, masei și volumului.
Alte solutii necesită o conversie de energie, fiind utilizate chiar dacă au
randamente mai reduse (1,3,5).
Solutia în care au loc doua transformari de energie succesiv (cazul 6) este
evitata.

b. Sistemul de stocare a energiei reversibile (acum ulatorul)
În cazul unui sistem hibrid de propulsie, component a care asigura stocarea
energiei reversibile poarta denumirea de acumulator și are urmatoarele functiuni:
-Asigură energia necesară deplasării vehiculului at âta timp cât nu este utilizat
transformatorul de energie ireversibilă. Acumulator ul va trebui în acest caz sa
furnizeze energia necesară cu un nivel al puterii l a care pot fi atinse performanțele
dinamice dorite.
– Controlează diferența între puterea instantanee i mpusă de dinamica
vehiculului si cea eliberată de transformatorul de energie, furnizând sau absorbind
puterea suplimentară.
– Permite stocarea unei cantități de energie obținu tă prin recuperarea unei
părți din energia cinetică a vehiculului în perioad ele de frânare sau decelerare .
Principalele tipuri de acumulatoare utilizate pentr u stocarea energiei sunt
urmatoarele:
– Acumulatorul de
energie electrică;
– Acumulatorul de
energie mecanică;
– Acumulatorul de
energie hidraulică;

Acest tip de acumulator transformă energia chimică conținută în materiale din
componența sa (electrozi si electrolit) în energie electrică.

36 Dupa caracteristicile energetice și puterea masică se disting două familii de
acumulatoare:
– Bateria de acumulatoare electrochimice
– Supercapacitorul

Bateria de acumulatoare electrochimice
În cazul acestor acumulatoare în reactiile chimice care se produc în timpul
încarcarii sau descarcarii intervin materialele ele ctrozilor.
În consecință, energia disponibilă este ridicată ia r puterea furnizată este
limitată de difuzarea sarcinilor prin suprafața ele ctrozilor.

Fig.2.8.

Supercapacitorul este un acumulator electrostatic la care sarcinile electrice
sunt stocate la suprafața electrozilor sub forma un ui strat ionic.
Absența rezistentei de difuzie în suprafața materia lelor permite obtinerea
unor puteri de încărcare și descărcare foarte mari.

Acumulatorul de energie mecanică .
La acest tip de acumulator stocarea este realizată sub formă de energie
cinetică într-un volant metalic sau din material co mpozit care se rotește cu o turație
mare (de ordinul a 30.000-40.000 rot/min) într-o in cintă izolată.
Acest acumulator oferă foarte bune performanțe în c eea ce privește puterea
masică și durata de viață, având totuși în același timp o energie masică scăzută.

Fig.2.9.

37 Sistemele actuale mecano-electrice dispun de o mași nă electrică reversibilă
(motor/generator) în butucul rotorului și paliere c u sustentatie magnetica,
constructie ce permite sporirea randamentului stocă rii și reducerea volumului
ansamblului.

Fig.2.10.

Acumulatorul de energie hidraulică
Stocarea energiei la un astfel de acumulator este r ealizata prin comprimarea
unui gaz într-un rezervor ce contine un fluid, înca rcarea si descarcarea
acumulatorului fiind efectuata cu ajutorul unui agr egat hidrostatic reversibil motor-
pompa.
Acest acumulator prezintă performanțe foarte bune î n ceea ce privește puterea
masică și durata de viață. Punctele slabe sunt lega te de energia masică redusă și de
marea complexitate a sistemului.
În tabelul 2, sunt prezentate principalele tipuri d e sisteme de stocare a
energiei.
Putem observa ca unele solutii nu necesita transfor marea (cazul A si I) care
sunt foarte bune ca randament, masă și volum.
Soluțiile cu dublă transformare (cazul C si G) sunt de evitat.
Soluțiile intermediare (cazul B, D, E, F, H) sunt n ecesare când se dorește
stocarea energiei într-o formă diferită; ele sunt u tilizate foarte frecvent.

Tabelul 2.2. Sisteme de stocare a energiei pentru p ropulsia automobilelor

38 c. Sistemul de cuplare a surselor de energie
Sistemul de cuplare are rolul de a asigura transfer ul și transformările de
energie între roțile motoare și celelalte două comp onente.

Tabelul 2.3. Sisteme de cuplare pentru sisteme hibr ide de propulsie

Această cuplare se poate face:
– Printr-o legatură nereversibilă între transformat orul de energie și roțile
motoare, ce face posibilă autopropulsarea autovehic ulului;
– Printr-o legatură reversibilă între acumulatorul de energie și roțile motoare,
care este utilizată pentru autopropulsarea vehiculu lui sau recuperarea energiei de
frânare;
– Printr-o legatură nereversibilă între transformat orul de energie și acumulator
care este utilizată pentru eventuala reîncarcare la oprirea vehiculului;
După cum este arătat în figura 2, de la inceputul c apitolului, sistemul de
cuplare are trei legături distincte cu exteriorul p rin acestea fiind transferată și
transformată energia în forme diferite.
Acestea sunt:
– o legatura cu transformatorul de energie prin car e este transferata dupa caz
energia mecanica, electrica sau hidraulica;
– o legatura cu sistemul de stocare a energiei prin care este transferata dupa
caz energia mecanica, electrica sau hidraulica.
– o legatura cu rotile motoare prin care este trans ferata energia sub forma
mecanica.
Putem vedea in tab.3, ca soluția ce utilizează ener gia mecanică se distinge de
celelalte doua prin faptul ca nu necesită nici o tr ansformare a formei de energie.
Legatura transformatorului de energie cu roțile mot oare va fi deci asigurată numai
pe cale mecanică, sistemul de cuplare fiind pur și simplu intercalat în transmisie.
În aceasta situație sistemul de stocare va fi deci în paralel cu legatura
transformator – roti motoare, caz în care arhitectu ra este denumită ca hibrid
paralel.
In cazul celorlalte două soluții, energia produsă d e transformator va fi integral
convertită într-o formă de energie compatibilă cu c ea schimbată de sistemul de
stocare fiind necesară în final o transformare în e nergie mecanica.
Aceasta arhitectura poarta denumirea de hibrid serie .
Putem vedea că în această configurație sistemul de stocare (acumulatorul)
este plasat în paralel cu legatura generator de ene rgie – roti motoare.
Clasificarea sistemelor hibride de propulsie

39 Datorita faptului ca automobilul cu propulsie hibri dă trebuie să ofere prestații
similare celui clasic in special in privința autono miei principalele configuratii vor
trebui să includă motoare termice astfel încât ele vor fi de tip:
– termic-electric;
– termic-hidraulic;
– termic-pneumatic.
Dintre acestea, în domeniul propulsiei rutiere s-au dezvoltat și aplicat în
fabricație de serie în special sisteme de tip termi c-electric.
Avantajele pentru care a fost promovata configurati a termică-electrică sunt
urmatoarele:
– Punerea la dispozitie a două lanțuri de tractiune ale caror performanțe sunt
complementare, adică:
– Lantul termic, caracterizat de autonomie sporită multumită energiei masice
a hidrocarburilor lichide (de ordinul de 10.000 Wh/ kg față de 100-200 Wh/kg
pentru un acumulator electrochimic) si usurint a de realimentare energetică
(umplerea rezervorului se face în citeva minute);
– Lantul electric, caracterizat de un cuplu mare la pornirea din loc, suplețe în
comandă, posibilitatea recuperării unei părți din e nergia cinetică a vehiculului în
perioada de decelerare și de frânare, poluare ZERO a atmosferei la locul de
exploatare, zgomot redus în functionare;
– Optimizarea funcționării sistemului ce permite co mbinarea avantajelor celor
două lanțuri de tracțiune minimizând impactul dezav antajelor;
– Propunerea de vehicule ce dispun de funcțiuni su plimentare în raport cu
vehiculele clasice, ceea ce permite acceptarea lor de catre piață, cunoscute fiind
costurile suplimentare la achiziție și mentenanță;
– Transferarea consumului de la hidrocarburi către alte tipuri de energie
primară prin intermediul unor vectori ca electricitatea sau hidrogenul în cazul
hibridelor cu pila cu combustibil.

2.3. Clasificarea sistemelor hibride de propulsie

Un prim criteriu de clasificare a hibridelor cel ma i frecvent utilizat, este în
functie de modul de cuplare al celor doua lanturi d e propulsie transformator –
sistem de cuplare – roti dintate si sistem de stoca re – sistem de cuplare – roti
motoare.
Astfel distingem:
– hibridul serie pentru o legatura de cuplare prin care este transf erata energia
sub forma de energie electrica sau presiune;
– hibridul paralel pentru o legatura de cuplare prin care este transf erata
energia sub forma de energie mecanica;
– hibridul mixt serie – paralel sau dual mode pentru cuplari ce permit cele
doua configuratii.
O astfel de clasificare nu este suficientă la ora a ctuală având în vedere ca
hibridele de tip paralel, spre exemplu, au o multit udine de arhitecturi ce nu pot fi
diferentiate decât ținând cont de modurile de funcț ionare ale sistemului.

40 Pe de altă parte, cum motorizările hibride sunt con curente motorizarilor
clasice în ceea ce privește consumul, emisiile polu ante sau costurile (de achizitie si
de mentenanță) este propusă și o clasificare dupa functiunile complementare pe care
le pot aduce.
Astfel aceste functiuni pot fi împărțite în două ca tegorii, anume:
– functiuni ce particip a numai la sc aderea consumului de combustibil si a
emisiilor poluante ale vehiculelor. Pentru conducator, un astfel de ve hicul nu este
diferit de vehiculul clasic cu motor termic în afar a performantelor de consum si
emisii poluante, caz în care vorbim de hibride discrete.
– functiuni care aduc beneficii suplimentare în ceea ce priveste:
– domeniul de utilizare prin pătrunderea în zone rest rictive;
– limitarea sau anularea totală a poluării în zona de functionare în
beneficiul populației locale;
– limitarea consumului de energie convenționaă (fosil a) și a poluarii
globale în folosul colectivității.

Noutatea în cazul unui sistem total hibrid constă î n faptul că motorul electric
este suficient de puternic, încât automobilul să po ată fi propulsat doar prin energia
electrică oferită de acesta. Cu alte cuvinte, siste mele total hibide sunt suficient de
puternice să propulseze un automobil pe distanțe ce rte fără a consuma combustibil.
Emisiile de CO 2 se pot reduce în acest caz cu până la 30%.
În prezent, pe piață există trei versiuni de sistem e total hibride, denumite
după modul de dispunere a componentelor: în serie, în paralel, în serie/paralel.

Fig.2.11. Sistem hibrid serie

În cazul sistemelor hibride serie , un motor cu ardere internă acționează un
generator, iar curentul electric generat de acesta alimentează un motor electric care
propulsează automobilul.
În cazul transmisiei hibride serie , conform fig.2.11, motorul cu ardere
internă acționează generatorul de curent a căru i energie electrică este utilizată

41 de motorul electric pentru a realiza propulsi a la roțile motoare ; sistemul este
numit în serie deoarece m.a.i. și motorul el ectric sunt dispuse în serie . În
acest caz nu există legătură mecanică între m.a.i și roțile motoare .

Elementele precizate în fig. 2.12. sunt : 1 – motorul cu ardere internă
; 2 – generatorul de curent electric ; 3 – bateria de acumulatori ; 4 – unitate
electronică de comandă și control care cuprinde pri ntre circuitele importante , un
circuit convertor pentru ridicarea tensiunii și unu l invertor care realizează
redresarea curentului alternativ în curent continu u pentru reîncărcarea bateriei de
acumulatori ; 5 – motor electric utilizat pentru pr opulsie ; 6 – reductor cu roți
dințate necesar pentru mărirea cuplului de tracțiun e ; 7 – roți motoare .

Fig.2.12.

În funcție de regimurile de exploatare propulsia se realizează :
– pentru pornirea de pe loc se utilizează mot orul electric care se
alimentează de la bateria de acumulatori ;
– pentru regimurile de deplasare cu viteză r edusă și medie propulsia se
realizează doar cu motorul electric , care se alimentează de la bateria de
acumulatori și dacă este nevoie și de la ge nerator , caz în care m.a.i este
pornit ;
– pentru regimurile de accelerare propulsia se realizează utilizând motorul
electric care se alimentează de la generatoru l de curent (m.a.i funcționâd) și de
la bateria de acumulatori (doar pentru regimuril e de forță) ;
– la regimurile de decelerare și frânare mot orul electric în general nu
realizează reîncărcarea bateriei de acumulatori , aceasta fiind reîncărcată de
surplusul de energie electrică de la generator prin intermediul circuitului invertor ;
dacă motorul electric poate funcționa și ca generator atunci acesta va

42 converti energia cinetică primită de la roți în energie electrică utilizată pentru
încărcarea bateriei de acumulatori .
Circuitul de comandă și control care cuprinde și circuitul invertor, în
funcție de regimurile de exploatare (precizate mai sus) realizează corelarea
celor două motoare în sensul pornirii / opriri i m.a.i în scopul suplimentării de
energie electrică (peste cea furnizată de bateria de acumulatori) de la generator ,
pentru motorul electric atunci când este necesa r .
Pentru ca o astfel de instalație energetică de propulsie să funcționeze cu
un randament global ridicat este necesar ca m.a.i să funcționeze la regimurile
staționare economice și apropiate de acestea , iar prin intermediul
generatorului de curent să fie transformată e nergia mecanică în energie
electrică necesară pentru motorul electric de pro pulsie și pentru reîncărcarea
bateriei de acumulatori .

Sistem hibrid paralel
Configurarea sistemelor hibride paralel permite pro pulsarea automobilului de
către cele două motoare (termic și electric) simul tan. Motorul electric poate de
asemenea funcționa și ca generator, încărcând astfe l bateriile, energia stocată în
acestea putând fi utilizată apoi direct pentru prop ulsie. Un exemplu de sistem hibrid
paralel este Honda IMA, motor montat pe modelul Civ ic.

Fig.2.13. Sistem hibrid paralel

În cazul transmisiei hibrid paral , fig.2.13, atât motorul cu ardere internă
cât și motorul electric pot acționa roțile m otoare, energia furnizată de aceștia
fiind utilizată pentru propulsie în funcție de condițiile de exploatare și
regimurile economice , cu randament ridicat de f uncționare pentru fiecare în
parte. Sistemul se numește hibrid paralel deo arece forțele de propulsie ajung
la roțile motoare pe cele două căi paralele.

43

Fig.2.14.

Elementele precizate sunt :
1 – motorul cu ardere internă; 2 – motorul electri c de propulsie care poate
lucra și în regim de generator în funcție de regim ul de exploatare; 3 – bateria de
acumulatori; 4 – unitate electronică de comandă și control care cuprinde printre
circuitele importante , un circuit convertor pentr u ridicarea tensiunii și unul
invertor care realizează redresarea curentului al ternativ în curent continuu pentru
reîncărcarea bateriei de acumulatori; 5 – reductor cu roți dințate necesar pentru
mărirea cuplului de tracțiune; 6 – roți motoare 7 – transmisie mecanică, hidraulică
sau combinată;
În funcție de regimurile de exploatare propulsia se realizează:
– pentru pornire se utilizează m.a.i și motorul e lectric care se alimentează de
la bateria de acumulatori;
– pentru regimurile de deplasare cu viteză r edusă și medie propulsia se
realizează doar cu motorul electric, care se alimentează de la bateria de
acumulatori, m.a.i fiind oprit; dacă este neces ar unitatea electronică de
comandă control va realiza și pornirea m.a.i pentru suplimentarea puterii de
propulsie;
– pentru regimurile de accelerare propulsia se realizează utilizând m.a.i și
motorul electric;
– la regimurile de decelerare și frânare mot orul electric intră în regim
de generator reîncărcând bateria de acumulator i;
Circuitul de comandă și control care cuprinde și circuitul invertor, în
funcție de regimurile de exploatare (precizate mai sus) realizează corelarea
celor două motoare în sensul realizării cupl ării sau decuplării m.a.i (caz în
care acesta se oprește ) cât și funcționării m otorului electric în regim de
propulsie sau de generator.

44 Bateria de acumulatori se încarcă în momentul în care motorul electric
funcționează ca generator electric, propulsia f iind realizată pentru aceste
regimuri doar de m.a.i.
Acest sistem nu poate asigura în același tim p încărcarea bateriei de
acumulatori și propulsia folosind doar motorul electric deoarece există un
singur motor electric care poate funcționa fie ca generator, fie ca motor de
propulsie.
Al treilea mod de configurare a sistemelor hibride de propulsie permite
combinarea avantajelor aduse de cele două arhitectu ri mai sus prezentate, rezultând
astfel sistemele hibride serie/paralel.

Fig.2.15. Sistem hibrid serie/paralel

Fig.2.16

În acest caz, motorul electric poate acționa indepe ndent transmisia, sau poate
fi utilizat împreuna cu motorul cu ardere internă a tunci când este nevoie de
performanțe sporite. Mai mult decât atât, sistemul poate simultan atât să propulseze
automobilul, cât și să încarce bateria prin interme diul generatorului. În aceste
condiții este îndeplinit obiectivul de reducere dra stică a compușilor nocivi din
gazele de evacuare. Modelul de referință ce poate e xemplifica utilizarea sistemului
hibrid serie/parelel pe un automobil de serie este Toyota Prius

45

Fig.2.17.

Transmisia hibridă serie / paralel , combină cele două tipuri de
transmisii hibride prezentate anterior cu scopu l de a utiliza avantajele fiecăreia
în parte, astfel încât transmsmisia rezultată să funcționeze cu eficiență
maximă.
Aceasta conține motorul cu ardere internă (m. a.i.), motorul electric cât
și generatorul de curent. Propulsia este reali zată utilizând doar motorul electric
sau ambele motoare , în funcție de regimul d e exploatare , astfel încât fiecare
în parte să funcționeze cu randament ridicat; în plus atunci când este necesar
energia electrică produsă de generatorul elect ric și utilizată de motorul
electric pentru propulsie este folosită și pe ntru reîncărcarea bateriei de
acumulatori . Acest sistem numit THS (Toyota Hyb rid System) a fost pentru
prima dată dezvoltat și aplicat de Compania Toyota pe modelele Prius și
Estima Hybrid începând cu anii 1997.

Fig.2.18

46 Elementele precizate în fig. 2.18, sunt :
1 – motorul cu ardere internă (m.a.i); 2 – genera torul de curent; 3 – divizorul
de putere mecanică provenită de la m.a.i, reali zat cu ajutorul unui mecanism
planetar; 4 – bateria de acumulatori; 5 – unitate electronică de comandă și control
care cuprinde printre circuitele importante, un c ircuit convertor pentru ridicarea
tensiunii și unul invertor care realizează redres area curentului alternativ în curent
continuu pentru reîncărcarea bateriei de acumulato ri; 6 – motorul electric; 7 – roți
motoare; 8 – reductor cu roți dințate necesar pent ru mărirea cuplului de tracțiune;
Pentru pornire este utilizat doar motorul elec tric. Propulsia pentru
regimurile normale de funcționare este realiza tă cu motorul cu ardere internă
și motorul electric, circuitul de control și comandă realizând o optimizare a
funcționării celor două motoare astfel încât eficiența transmisiei să fie ridicată
iar consumul de combustibil cât mai redus; dacă încărcarea autovehiculului este
redusă, la viteze mici și medii atunci când necesar ul de putere de propulsie este
redus, UECC va opri m.a.i, propulsia fiind realiza tă doar de motorul electric.
Atunci când este nevoie de o accelerare ridi cată, cele două motoare prin
intermediul circuitului de comandă realizează put erea corespunzătoare, propulsia
fiind realizată de ambele motoare. La regimuri le de decelerare și frânare
transmisia permite recuperarea a unei părți înse mnate din energia cinetică ce este
transformată în energie electrică, prin funcționar ea motorului electric în regim de
generator.
Pentru cele trei tipuri de variante de transmisii hibride, în fig.2.19
este dat comparativ gradul de utilizare al m otorului cu ardere internă față de
motorul electric .
Pentru cele trei tipuri de variante de trans misii hibride , în fig. 2.19, este
dat comparativ gradul de utilizare al motorul ui cu ardere internă față de
motorul electric .
Conform fig.2.19, în cazul transmisiei
hibride serie, MAI și motorul electric
realizează aproximativ aceeași cantitate
de energie, m.a.i. fiind utilizat pentru
antrenarea generatorului, care
alimentează motorul electric.
În cazul transmisiei hibride
paralel, motorul electric este utilizat în
special pentru a furniza energie
suplimentară la roțile motoare în cazul
regimurilor de accelerare , astfel încât m.a.i. este utilizat mai mult decât
motorul electric .
În cazul transmisiei hibride serie /paralel, se realizează prin intermediul
divizorului de putere un raport de divizare a l puterii (raportul dintre puterea
transmisă direct de la m.a.i. la roțile motoare și puterea de propulsie obținută
pe cale electrică ) variabil continuu , în fun cție de regimul de exploatare; în
acest caz forța de propulsie provine mai mul t de la motorul electric decât Hibrid serie M.A.I
M.E
Hibrid
paralel M.A.I M.E
Hibrid
serie/paralel M.A.I M.E
Fig. 2.19.

47 de la m.a.i., acest tip de propulsie fiind cel mai convenabil din punct de
vedere al reducerii consumului de combustibil și emisiilor poluante ale m.a.i .
În tabelul 2.4 sunt prezentate comparativ per formanțele celor trei tipuri
de transmisii hibride, din care rezultă superi oritatea transmsiei hibride
serie/paralel .
Tab. 2.4.
Reducerea consumului de combustibil Performanțele exploatare
Mersul în
gol Gradul de
recuperare
energetică Nivelul de
control Eficiență
globală Accelerare Putere continuă
ridicată
Hibrid serie Bună Excelentă Bună Bună Satisfăcătoa re Satisfăcătoare
Hibrid paralel Bună Bună Satisfăcătoare Bună Bună S atisfăcătoare
Hibrid
serie/paralel Excelentă Excelentă Excelentă Excelentă Bună Bună

O componentă principală a transmisiei hibride serie/paralel o constitue
divizorul de putere, DP, fig. 2.20 a) , care re alizează repartizarea puterii ce
provine de la motor; o parte-I, se transmite la roțile motoare iar cealaltă
parte-II, la generatorul electric care aliment ează 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 roț ile motoare pe două căi : una
mecanică și cealaltă electrică .

Unitatea electronică de comandă și control, UE CC, prin circuitele sale
controlează în permanență transmisia variabilă, astfel încât viteza de deplasare
poate fi modificată continuu prin variația co ntinuă a turației m.a.i.,
generatorului electric și motorului electric .
În general divizorul de putere cuprinde u n mecanism planetar, fig. 2.20 b
.

MAI GE BA
UECC

ME DP
R
Transmisie
hibridă
a) Fig. 2.20 a
II
I

48

Conform fig. 2.20. b), motorul cu ardere internă este cuplat la divizorul
de putere ‘DP’ prin intermediul arborelui portsat elit 2 , care este în acest caz
arborele conducător, 3 fiind pinioanele satelit ale mecanismului planetar;
generatorul electric ‘GE’ este cuplat la axul roții centrale 1 (roata solară);
motorul electric ‘ME’ este cuplat la arborele condus, care în acest caz este
cuplat la coroana dințată 4 .
În funcție de regimul de funcționare al auto vehiculului și transmisiei
hibride, turațiile celor trei componente import ante, m.a.i., generatorul electric și
motorul electric au valori și sensuri diferit e , conform fig. 2.21 .
La pornire autovehiculul folosește doar motoru l 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 l oc , generatorul care are rol
și de electromotor primește comandă de la UE CC și pornește m.a.i.; odată
pornit m.a.i., generatorul electric va începe s ă producă energie electrică ce este
utilizată pentru suplimentarea energiei consuma tă de motorul electric pentru
propulsie și în același timp pentru reîncărca rea bateriei de acumulatori;
compararea turațiilor fiind precizată în fig. 2 .21 b) .
În condițiile staționare de deplasare (viteza cons tantă), propulsia se
realizează cu ajutorul motorului electric și a m.a.i., nefiind necesară generarea
de energie electrică suplimentară, compararea t urațiilor fiind precizată în
fig.2.21c.

M.A.I GE ME
3
4 1

2

Fig.2.20 b

49

Fig.2.21

Pentru regimurile de accelerare, turația m.a.i . crește și în același timp și
a generatorului electric care generează energi e 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 preci zată în fig. 2.21 d .

În momentul de față automobilele hibride reprezintă cel mai bun compromis
între un automobil cu propulsie clasică (benzină sa u diesel) și unul electric, din
punct de vedere al performațelor dinamice și de con sum. Putem spune că reprezintă
o etapă intermediară a evoluției către automobilele cu propulsia complet electrică.
Prius este primul automobil „full” hibrid produs în masă. Automobilul se
remarcă prin utilizarea a două motoare, unul termic și unul electric, propulsia în
mod termic, electric sau combinat fiind setată în f uncție de regimul de deplasare .

Fig.2.22.

Automobilul este un sedan ce poate transporta cinci adulți, cu caroserie cu
patru uși, performanțele dinamice, de confort și ma niabilitatea fiind similare cu cele
ale unui automobil convențional cu propulsie termică . Siguranța pasivă și activă
este asigurată de sistemul de frânare prevăzut cu ABS și EBD respectiv airbag-uri
pentru conducător și pasagerul din față.

50
Avantajele propulsiei hibride

Numit THS, sistemul de propulsie de la Toyota poate rula în mo d termic
(utilizând motorul cu ardere internă pe ciclu Atkin son), electric sau combinat.
Puterea furnizată de fiecare motor (electric sau te rmic) este atent monitorizată de
sistemele electronice de control pentru a plasa pun ctul de funcționare al acestora în
zonele cu randament ridicat.

Fig.2.23. Toyota Prius generația I – componente.

Datorită faptului că Prius poate rula, în anumite c ondiții de deplasare,
exclusiv în mod electric emisiile poluante sunt zero. Acest beneficiu aduce un
aport semnificativ mediului din marile aglomerări u rbane cu trafic intens.
Comparativ cu un automobil ce este echipat cu un mo tor termic pe benzină, cu
aceeași densitate de putere, Prius emite cu aproxim ativ 40% mai puține grame de
CO2 pentru fiecare kilometru parcurs. De asemenea, pe ciclul combinat, consumul
de combustibil se situează în jurul valorii de 5.1 l/100 km. Prima generație de
Prius, din punct de vedere al emisiilor poluante se situa la nivelul anilor 2005!
Automobilul testat după standardele europene în vig oare emite: 0.63 g/km de
monoxid de carbon (CO2), 0.05 g/km de hidrocarburi (HC) și 0.05 g/km de oxizi de
azot (NOx).

2.4. Sistemul de propulsie THS ( Toyota Hybrid System)

Având in vedere roul istoric avut de automobilul Pr ius in dezvoltarea și
evoluția propulsiei hibride, voi prezenta in contin uare Sistemul de propulsie THS.

51 Acest sistem integrat conține un motor termic cu r andament ridicat de 1.5
litri, un motor electric, un generator electric și un mecanism planetar cu roți dințate.
Tot acest sistem, datorită compactității, poate fi utilizat cu ușurință în spațiul ocupat
de către un motor termic și o transmisie.
Mecanismul planetar cu roti dințate are rol de cutie de viteze cu variație
continuă . Prin varierea turației celor 3 elemente component e (roata solară, platoul
port-sateliți și coroană) se obține o variație a vi tezei de ieșire similară cu cea a unui
CVT .

Fig.2.24. Mecanism planetar cu roți dințate ( PSD ) – Toyota Prius CVT

Motorul cu ardere internă este conectat la platoul port-sateliți ai
mecanismului planetar. Generatorul electric (MG1) e ste legat la roata solară iar
motorul electric (MG2) este rigidizat la coroana di nțată a mecanismului planetar.
Observație: Cele doua mașini electrice MG1 și MG2 p ot funcționa atât în
regim de motor cât și în regim de generator . Regimul de funcționare depinde de
starea de deplasare a automobilului (viteză redusă, accelerație puternica, frânare,
etc.).

Fig.2.25. Componentele sistemului THS Toyota Prius

52 Cuplul de ieșire al coroanei este transmis printr-u n lanț la un mecanism
reductor cu angrenare simplă și apoi la diferențial unde este amplificat. Mecanismul
planetar cu roti dințate este numit și PSD (Power Split Device) deoarece se
comporta că un dispozitiv de divizare a puterii. Av antajele acestui sistem mecanic
compus din mecanismul planetar, angrenaj simplu și diferențial este reprezentat de
fiabilitate și robustețe. Toate componentele au poz iții fixe, una în raport cu cealaltă,
mișcare fiind doar de rotație, în jurul axelor. Ast fel se elimină posibilele defecte și
probleme ce pot apărea în cazul utilizării unei cut ii CVT clasice sau a uneia
automate.

Motorul termic
Propulsorul principal al automobilului este motorul cu ardere internă 1NZ-
FXE, cu ciclu Atkinson, de 1.5 litri, cu patru cili ndrii în linie. Acesta este prevăzut
cu distribuție variabilă inteligentă VVT-i și dezvo ltă o putere de 72 CP la 4500
rot/min și un cuplu de 115 Nm la 4200 rot/min.

Fig.2.26.Toyota Prius – caracteristica de cuplu și de putere a motorului termic 1NZ-FXE

Sistemul inteligent de distribuție permite variația continuă a fazelor supapelor
de admisie în funcție de regimul de funcționare al motorului, ceea ce conferă
motorului performanțe dinamice remarcabile și un co nsum scăzut de combustibil.
Limitarea turației maxime a motorului la 4500 rot/min permite utilizarea
materialelor ușoare pentru componente, îmbunătățeșt e randamentul termic și reduce
pierderile prin frecare. Pentru reducerea greutății automobilului blocul motor și
chiulasa s-au fabricat din aliaj de aluminiu iar ga leria de evacuare din oțel
inoxidabil.

53 Posibilitatea de a utiliza MG1 pe post de demaror/a lternator iar MG2 ca
generator în regim de frânare a permis o reducere î n plus a masei totale a motorului
prin eliminarea alternatorului și a demarorului cla sic.
Controlul îmbogățirii amestecului aer-carburant se realizează prin intermediul
unei clapete obturatoare controlată electronic. Pen tru reducerea emisiilor poluante
sistemul de alimentare cu combustibil este etanș ia r gazele de evacuare sunt tratate
de un convertor catalitic pe trei căi (TWC ).

MG1 (Generatorul) Mașina electrică MG1 are trei funcții:
Generator de curent electric – în acest caz este antrenată de motorul termic și
produce energie electrică ce este utilizată pentru alimentarea motorului de tracțiune
MG2 sau pentru încărcarea bateriilor.
Starter/demaror – este utilizat la pornirea motorului termic.
Motor electric – este utilizat ca variator de turație pentru meca nismul
planetar; prin modificarea turației roții solare se variază turația coroanei
mecanismului planetar deci viteza automobilului.

MG2 (Motorul electric) Motorul electric de tracțiun e îndeplinește mai
multe funcții: propulsează automobilul în domeniul vitezelor și a sarcinilor reduse,
asistă motorul termic la tracțiune cînd acesta func ționează în domeniul sarcinilor
medii și mari, produce energie electrică când autom obilul se afla în regim de
frânare.

Motor electric – utilizat pentru deplasarea înainte și înapoi a a utomobilului.

Generator electric – utilizat în regimul de frânare a automobilului.

Motorul electric de curent alternativ produce o put ere maxima constanta de
45 CP între 1040 și 5600 rot/min. Prin intermediul mecanismului planetar, a
reductorului simplu și a diferențialului, motorul e ste conectat tot timpul la rotile
punții față. Cuplul maxim de 350 Nm este furnizat l a turații joase (aproximativ 400
rot/min) ceea ce-i permite automobilului să demarez e și să fie propulsat exclusiv în
mod electric.
Mersul înapoi al automobilului este asigurat tot de motorul electric prin
inversarea sensului de rotație al acestuia. Selecta rea modului de mers înapoi se face
acționând un levier de mici dimensiuni aflat în vec inătatea volanului.

Cutia automată cu variație continuă

Practic cutia de viteze este formată din lanțul met alic, mecanismul planetar și
reductorul fix. Controlul electronic al puterii cel or trei motoare/generatoare (MG1,
MG2 și motorul termic) permite varierea turației de ieșire din transmisie deci
implicit a vitezei automobilului. Contactul permane nt al elementelor transmisiei cu
roțile motoare, deci lipsa unui ambreiaj sau a unui convertizor de cuplu a permis

54 obținerea accelerațiilor line, fără șocuri și îmbun ătățirea timpului de răspuns la
apăsarea pedalei de accelerație.
Transmisia este controlată prin intermediul unui le vier de selecție montat pe
coloana de direcție ce cuprinde următoarele stări/programe :

Fig.2.27

Toyota Prius – pozițiile levierului selector de pro grame (P – Parcare/Park, R – Mers
înapoi/Reverse, N – Neutru/Neutral, D – Condus/Driv e și B – Încetinire/Braking)

În poziția B motorul termic este pornit și utilizat în regim de frânare pentru
încetinirea automobilului la coborârea unor pante l ungi (funcție similară cu a unui
„retarder” de pe autocare).

Bateriile

Bateriile sunt de tipul nichel – hidrură metalică ( Ni-MH ), conțin 38 de
module individuale ce însumat produc 274 V. Pachetu l de baterii este montat pe
puntea din spate, după scaunele pasagerilor. Aceast ă amplasarea permite utilizarea
optimă a spațiului din interiorul automobilului pen tru sporirea confortului
pasagerilor.
Bateriile nu se repara iar intervenția se poate rea liza numai de către
personalul Toyota specializat în acest sens. Pentru a proteja ocupanții automobilului
de o eventuală electrocutare bateria este izolată, în cazul unui accident sau
defecțiune, de restul automobilului prin intermediu l unui releu de siguranță.

Invertorul AC-DC

Rolul invertorului este de a transforma curentul co ntinuu (CC) produs de
baterie în curent alternativ (CA) necesar pentru al imentarea mașinilor electrice. De
asemenea transformă din CA în CC, pentru reîncărcar ea bateriilor, energia electrică
produsă de una din cele doua mașini electrice.

Fig.2.28.Toyota Prius – invertor. Sursa: Toyota

55
In afara invertorului mai conține și un convertor d e CC pentru transformarea
tensiunii de 274 V în tensiune de 12 V necesară pen tru alimentarea echipamentelor
auxiliare ale automobilului (iluminare, sistem audi o, aer condiționat, etc.)

Regimurile de funcționare

Modul de funcționare a grupului moto-propulsor (pro pulsie electrică sau
hibridă) sau regimul de funcționare al mașinilor el ectrice (motor sau generator)
poate fi exemplificat prin dependenta turațiilor el ementelor mecanismului planetar
(solară, platou sateliți și coroană).

Contact

Fig.2.29. Toyota Prius-Contact

Acest mod corespunde cu poziția „contact” a unui au tomobil clasic, cu motor
termic. În acest mod viteza automobilului este nulă dar sistemul electric este
„armat”, bateria este conectată, prin intermediul r eleului de siguranță, la invertor.

Demarajul automobilului (mod electric)
După punerea contactului, dacă conducătorul auto ap asă pedala de
accelerație, automobilul începe să se deplaseze fii nd propulsat de MG2 care
funcționează în regim de motor electric. În acest m od MG1 se va roti în sensul opus
de rotație al MG1 deoarece motorul termic, fiind op rit, va imobiliza platoul
sateliților din mecanismul planetar.

56

Fig.2.30. Toyota Prius – mod electric

Fig.2.31. Demaraj motor termic

Pornirea motorului termic (fig.2.31)
În modul de propulsie electric dacă viteza automobi lului depășește o anumită
limită (aprox. 50 km/h) motorul termic este pornit utilizând MG1. Invertorul va
alimenta MG1 care funcționează în regim de motor. S ensul de rotație al lui MG1 și
MG2 va fi același ceea ce va antrena motorul termic
Accelerație ușoară
După pornirea motorului termic dacă conducătorul do rește o accelerație
ușoară automobilului, motorul termic își va mări tu rația peste valoarea lui MG2. În
acest caz MG1 va fi antrenată fiind în regim de gen erator electric. Energia electrică
produsă de MG1 este utilizată pentru MG2.

57

Fig.2.32.Toyota Prius – accelerație ușoară

Deplasare cu viteza constanta medie
În acest mod de funcționare automobilul este propul sat hibrid, cu motorul
termic și cel electric MG2. Generatorul MG1 produce energie electrică pentru
alimentarea MG2.

Fig.2.33. Toyota Prius – deplasare cu viteză consta ntă medie

Accelerație puternică
În cazul în care se dorește o accelerație puternică a automobilului, turația
motorului termic crește. Automobilul este propulsat în mod hibrid (electric și
termic). MG1 va produce energie electrică pentru a alimenta MG2. În plus pentru a
obține un cuplu maxim din MG2 bateria va furniza su plimentar energia electrică
necesară.

58

Fig.2.34. Toyota Prius – accelerație puternică

Deplasare cu viteză constantă mare
Pentru o anumită turație a motorului termic, pentru a putea mări turația lui
MG2, MG1 va fi blocat (turație zero). În acest regi m de deplasare, automobilul este
propulsat în mod hibrid, MG2 fiind alimentat cu ene rgie electrică de la baterii.

Fig.2.35. Toyota Prius – deplasare cu viteză consta ntă mare

Viteză maximă
Pentru aceeași turație a motorului termic, MG2 va a vea o turație mai mare
dacă MG1 este în regim de motor și rotit în sens in vers. Automobilul este propulsat
hibrid (electric + termic), bateria alimentând cu e nergie electrică atât motorul
electric MG2 cât și MG1.

59

Fig.2.36 Toyota Prius – deplasare cu viteza maximă

Frânare recuperativă
Când conducătorul auto acționează pedala de frână, cu scopul de a reduce
viteza automobilului, motorul termic este oprit. În acest mod MG2 va funcționa în
regim de generator electric, fiind antrenat de roti le automobilului (frână de motor).
Energia produsa de MG2 este utilizată pentru încărc area bateriilor. MG1 nu va fi
alimentat, și se va roti în sens invers față de MG2 datorită turației zero a motorului
termic.

Fig.2.37. Toyota Prius – frânare cu recuperare de e nergie

Frânarea utilizând MG2 în regim de generator nu înl ocuiește sistemul de
frânare hidraulic, clasic. În cazul în care conducă torul auto dorește o frânare
puternică sistemul hidraulic intervine precum la un automobil convențional. Pentru
a determina intensitatea frânării deci implicit nec esitatea activării sistemului

60 hidraulic, calculatorul sistemului de frânare utili zează informația provenita de la un
senzor de poziție montat pe pedala de frână. Poziți a pedalei de frână se traduce în
forța necesară de frânare care decide momentul acti vării sistemului de frânare
hidraulic, clasic.

Mersul înapoi

În acest mod automobilul este propulsat în mod excl usiv electric, MG2 fiind
în regim de motor electric dar cu sens de rotație o pus față de modul „Drive”.
Motorul termic este oprit iar MG1 se va roti liber. Energia electrică pentru MG2
este furnizată de baterie. Foto:

Fig.2.38. Toyota Prius – mers înapoi

Sistemul THS se face remarcat datorită modului simp lu și eficient prin care
se utilizează doua mașini electrice și un motor ter mic pentru propulsarea unui
automobil în vederea minimizării consumului de comb ustibil, păstrând în același
timp performanțele dinamice ale automobilului la un nivel acceptabil.
Optimizarea acestui sistem a fost continua, următoa rele generații de Toyota
Prius fiind mai avansate din punct de vedere al per formanțelor. Detalii privind
diferențele și similitudinile ultimelor generații d e Toyota Prius se vor dezvolta în
articole separate.

Piețele internaționale

Se pare totuși că oportunitățile pentru Diesel-Hibr ide sunt limitate, deoarece
pe piețele internaționale acestea trebuie să facă f ață acelorași probleme cu care se
confruntă și un Diesel modern. În Japonia, motoarel e Diesel sunt practic inexistente,
iar în SUA ocupă aproximativ 1% din piața de vânzăr i. Tot 1% este și procentul de

61 vânzări în SUA a automobilelor hibride completate d e un motor pe benzină, unde
Toyota Prius este în top, lista de așteptare pentru acesta fiind foarte lungă. Și să nu
uităm că Toyota Prius se comercializează acolo de d oar din 2000.
În perioada 2006-2012 Toyota și-a propus să echipez e încă noi 5 modele cu
tehnologie hibridă totală de propulsie.
Pe termen scurt competitorii lui vor fi: GM Chevrol et, Ford, Mazda și Nissan.
Deoarece Toyota monopolizează practic piața hibride lor, pentru a deveni
competitivi pe termen mediu, 6 mari constructori și -au unit forțele pentru a forma
două mari centre de cercetare în acest domeniu: Aud i, Porsche și Volkswagen pe de
o parte; BMW, Daimler Chrysler și General Motors de altă parte. Un prim pas
constă în combinarea cercetărilor individuale ale f iecărui constructor, urmând ca în
final să poată fi dezvoltat un proiect competitiv c u cel al celui mai mare constructor
de automobile din lume, Toyota. Deocamdată germanii și-au dotat doar modelele de
vârf cu sisteme hibride, vezi cazul modelelor Cayen ne de la Porsche, Q7 de la Audi
sau S-Class de la Mercedes.

Fig.2.39. Motor electric de la Bosch care poate fi integrat direct în transmisie

Fig.2.40

Pe de altă parte, producătorii de echipamente pentr u industria auto, cum ar fi
Denso, Siemens VDO și Continental lucrează la noi t ehnologii, care de altfel au tot

62 fost prezentate la saloanele auto internaționale di n ultimii doi ani. ZF
Friedrichshafen, de exemplu, oferă componente, modu le și sisteme complete pentru
toate versiunile hibride, de la micro și parțial hi bride, până la cele total hibride.
Deși se ocupă de cercetări în domeniul sistemelor h ibride de aproape 30,
Bosch și-a înfințat Centrul de Competență pentru Si steme Hibride abia în 2004. Pe
lângă o largă gamă de produse destinate acestui dom eniu, Bosch dezvoltă motoare
electrice care pot fi direct integrate în transmisi e.

Fig.2.41

Sistemelele hibride – piatra de temelie a noilor te hnologii

Mulți specialiști susțin că sistemele hibride de pr opulsie reprezintă piatra de
temelie care realizează puntea dintre motorul cu ar dere internă și pila de combustie
pe bază de hidrogen.
Deși conștientizează că viitorul va aparține hidrog enului, Toyota include și
tehnologiile hibride în planurile sale de dezvoltar e. Specialiștii de la Toyota susțin
că automobilele lor cu pilă de combustie utilizează bateriile de pe modelul Prius. În
acest sens cercetările includ: bateriile reîncărcab ile, motoarele electrice și sisteme
de frânare cu recuperarea energiei. Deci, întrebare a cu privire la sistemele de
propulsie ale viitorului nu ar mai trebui să fie „P ile de combustie sau hibride?” ci
„Pile de combustie cu hibride?”.

Fig.2.42

63
2.5. Solutii

2.5.1. Toyota Hybrid Synergy Drive

Scurt istoric Hybrid Synergy Drive Cu tehnologia ac tuală, niciun tip de motor
sau combustibil nu poate oferi soluția optimă de pr opulsie, fără emisii poluante, dar
și fără compromis în ce privește performanța. Fieca re are avantaje și dezavantaje.
Însă în această dilemă Toyota a găsit răspunsul – c ombinarea avantajelor a două
tipuri de motoare într-unul hibrid integral, care e ste mai curat, mai eficient și la fel
de performant ca unul convențional.
În 1997, Toyota a lansat modelul Prius, primul auto vehicul hibrid integral
(benzină-electric) produs în serie, și de atunci a vândut peste 2,2 milioane de unități.
În prezent, Prius a ajuns la a III-a generație, est e și mai eficient, mai curat și mai
puternic și deține supremația în categoria mașinilo r de serie prietenoase cu mediul.
Cum funcționează un hibrid integral?
Cel mai mare avantaj al tehnologiei hibrid este ges tionarea inteligentă a
fluxurilor de energie provenite de la două surse de putere diferite, astfel încât
fiecare aspect al condusului să fie optimizat. Majo ritatea autovehiculelor hibrid
folosesc ca sursă principală de putere un motor ult ra-eficient pe benzină, ajutat de
un motor electric fără emisii, alimentat de un acum ulator. Acesta se reîncarcă în
timpul condusului, frânării și decelerării. Spre de osebire de autovehiculele hibride
obișnuite, mașinile hibrid integral Toyota pot folo si fie oricare dintre cele două
motoare (doar electric pentru un condus eco sau doa r benzină pentru mai multă
putere), fie cele două surse de putere împreună (el ectric-benzină pentru un condus
eficient). Menținându-se de peste 10 ani lider al t ehnologiei hibrid, Toyota a creat o
nouă generație de misionari ai brand-ului. Sunt per soane deschise la nou, cu un pas
înaintea tendințelor, conștiente de responsabilitat ea pe care noi toți o avem pentru
mediul înconjurător. În același timp însă, sunt per soane active și care nu acceptă
compromisuri; ei apreciază și performanțele dinamic e ale unui automobil, puterea,
accelerația și comportamentul agil pe șosea. Din ac eastă perspectivă, sistemul hibrid
integral de la Toyota, Hybrid Synergy Drive®, repre zintă soluția ideală. Este un
sistem de propulsie revoluționar, care reușește un aparent paradox: să ofere o
eficiență maximă în exploatare (consum redus de com bustibil, emisii reduse – atât
CO 2, dar, spre deosebire de Diesel, și NOx și particul e 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.
Acestea sunt premisele sub care a luat naștere noul Auris HSD. O
personalitate Eco, ce oferă dinamică fără compromis uri.

2.5.2. Toyota Auris HSD

Auris HSD este primul vehicul din clasa sa ce ofera experienta propulsiei
integral hibride.

64

Fig.2.43.

Avansatul sistem integral hibrid al modelului Auris HSD utilizează o
combinație inteligentă între două motoare electrice și un motor de 1,8 litri VVTi pe
benzină.
Această tehnologie hibridă echipează pe plan mondia l peste 2 milioane de
vehicule Toyota. Adăugați la aceasta forma optimiza tă a caroseriei și veți obține un
vehicul lider de clasă în domeniul performanțelor a erodinamice.
Rezultatul este o experiență a condusului caracteri zată prin putere, eficiență și
rafinament, caracteristici amplificate de transmisi a automată continuu variabilă.1,8
capacitatea cilindrică a motorului
Caracteristici de consum de lider de clasă
Vă puteți deplasa până la 1200 km cu un plin de car burant.Consum mixt 4,0
l/100 km cu jante din aliaj de 17”.
Hibrid integral avansat
Tehnologia avansată a sistemului hibrid integral pe rmite atingerea unor
niveluri superioare de putere și performanță pentru fiecare din sursele de
propulsie.Bucurați-vă de silențiozitatea și impactu l minim asupra mediului specifice
modului de conducere integral electric.
Eficiență și putere
Motorul compact, ultra-ușor, de 1,8 litri, VVT-i, e ste efficient și puternic.
Cuplul maxim este de 142Nm la 4000 rpm.
Performanțe instantanee
Auris dispune de o putere totală de 136 DIN cp, acc elerând de la 0 la 100
km/h în 11,4 secunde.

2.5.3. TOYOTA PRIUS HYBRID

Din anul 1999 pana in anul 2008 TOYOTA a primit o multime de premii
importante castigate multumita motoarelor ecologice fabricate de-a lungul timpului.
Motorul folosit de TOYOTA pentru noua PRIUS a casti gat premiul “MOTORUL

65 VERDE AL ANULUI” lansand modelul PRIUS HYBRID, prin tre cele mai
ecologice dar si puternice masini de familie create .

Fig.2.44. TOYOTA HYBRID SYNERGY DRIVE (numele motor ului dat de TOYOTA)
combina un motor de 1,5 litri pe benzina cu un moto r electric compact dar puternic, transformand
Prius in cea mai curata masina de familie din lume care emite doar 104g/km de dioxid de carbon
avand nivelul oficial de consum de 4,3 l/100 km. Mo delul poate atinge 100 de km in doar 11
secunde, cu 3 secunde mai putin decat modelul sau a nterior.

Sistemul avansat de control hibrid asigura o tinuta de drum exceptionala.
Accelerarea este mare, iar zgomotele si vibratiile sunt minime transfomand acest
model intr-un hibrid perfect pentru familie.
TOYOTA HYBRID SYNERGY DRIVE ofera performanta, eleg anta si
confortul masinii de familie, dar in acelasi timp o fera performantele ecologice ale
unei masini compacte. Noul model este dotat cu un s asiu marit ce permite obtinerea
unui spatiu maxim pentru depozitarea bagajelor in i nterior, nemodificand forma
eleganta a masinii. Dotat cu frana de mana electric a controlata prin simpla atingere
a unui buton, comenzi audio si de climatizare integ rate in volan si comenzi
Bluetooth care permit efectuarea legaturilor telefo nice cu ajutorul volanului,
interiorul fiind tapitat cu piele, noua versiune a celor de la TOYOTA ofera eleganta
si confort dar totodata si cai putere. Prius Hybri d va fi mult mai mare decat cea din
prezent avand un motor mai puternic si un sistem ma i solid.

66

CAP.3. MOTORUL VIITORULUI: PILA DE COMBUSTIE

In timp ce politicienii se chinuiesc sa “salveze lu mea” prin limitarea
nivelurilor de emisii poluante (intre care se numar a si gazele de esapament ale
masinilor), oamenii de stiinta s-au mobilizat exemp lar si au creat o sursa de
propulsie alternativa, aproape complet nepoluanta: pila de combustie. Marii
producatori de automobile investesc sume uriase in “motorul viitorului”, dar, in
paralel, promoveaza si dezvoltarea sistemelor hibri de – un motor cu ardere interna
“clasic” (ultraperfectionat) si un motor electric, care par a cistiga tot mai mult teren.
Desi promitatoare din punctul de vedere al reduceri i poluarii, sistemele hibride nu
pot, nici in varianta cea mai perfectionata, imagin abila, sa elimine complet
problema emisiilor poluante, asa cum fac pilele de combustie. Din acest motiv,
motorul hibrid este privit ca un fel de tehnologie “interimara”, un pas premergator
introducerii “motorului perfect”, ecologic si cel p utin la fel de puternic ca
“stramosii” sai. Vehiculele actionate de pile de co mbustie folosesc hidrogen, unicul
produs “rezidual” fiind apa, de o puritate care o f ace apta consumului uman.
Principiul este simplu: hidrogenul este combinat cu oxigenul prin intermediul unui
catalizator, care converteste energia chimica in en ergie electrica, aceasta din urma
asigurind alimentarea unui motor, evident, electric .

O problema majora: reteaua de alimentare. Din pacat e, costul urias al
construirii unei noi infrastructuri necesare distri buirii in masa a hidrogenului (statii
de “hidrogenarie” care sa inlocuiasca actualele ben zinarii) reprezinta un mare
obstacol in calea progresului. Pina cind hidrogenul va fi disponibil “la pompa”, el
poate fi produs chiar in masina, din combustibili f osili precum benzina sau
motorina. Acest proces este si el poluant, dar doar la jumatate din valoarea celui mai
putin poluant motor classic. Alte probleme care tre neaza introducerea pilelor de
combustie sunt de ordin tehnic si operational, dar si psihologic. Spre exemplu, cea
mai refractara piata la motoarele ecologice este ce a americana, una din cele mai
mari din lume. Americanul dispune de benzina ieftin a la discretie, nevazind
utilitatea unui vehicul care consuma mai putin comb ustibil, sau altceva decit
benzina. Cu toate acestea, cei mai interesati, poli tic si economic, de “propulsia
alternativa” sint americanii si japonezii. Aproape toate centrele de cercetare
americane lucreaza la o versiune proprie, despre ca re spera ca va deveni standardul
in domeniu, sau, cel putin, unul dintre sistemele c ele mai raspindite.

Pilele de combustibil cu cel mai mare potențial pentru aplicațiile indus triei
auto sunt Pilele de Combustibil cu Membrane cu Schi mb Protonic (PCMSP).
Avantajul principal al PCMSP este capacitatea sa de a opera la temperaturi relativ
scăzute (care reduce timpul de pornire). Electrozii pilei sunt realizați din grafit și

67 sunt amplasați astfel, pentru a permite o trecere u șoară a reactanților, păstrând
contactul electric cu electrolitul. La anod, hidrog enul este disociat catalitic, pentru a
părăsi ionii de hidrogen. Un circuit extern conduce electronii, în timp ce ionii
pozitivi migrează prin membrana electrolitică spre catod. Acolo ei se combină cu
oxigenul și electronii din circuitul extern pentru a formă apă.

Combustibilul preferat al pilelor de combustibil este hidrogenul, din cau za
ușurinței cu care elementul poate forma ioni. Acest gaz este extrem de combustibil
și are un conținut ridicat de energie. Cu toate ace stea, densitatea scăzută a
hidrogenului a provocat o competiție tehnologică la proiectarea sistemelor de
stocare pe bază de hidrogen, folosite la bordul aut omobilelor. La aceiași
temperatură și presiune a camerei, pentru a stoca o cantitate echivalentă de energie,
ce se conține într-un rezervor tipic de benzină, ar fi nevoie de un rezervor de
hidrogen cu un volum de aproximativ 800 de ori mai mare.

Cu toate acestea, au fost elaborate trei soluții pr incipale de stocare a
hidrogenului:
 Compresie – gazul este stocat în butelii cu o presi une de până la 7000
de ori mai mari decât cea atmosferică;
 Sisteme criogenice – acestea mențin o temperatură s căzută, necesară
lichefierii hidrogenului (-253° C);
 hidruri de metal – aliaje speciale din metal, ce ab sorb hidrogenul atunci
când este sub presiune.

O abordare care ar evita problemele de stocare a hi drogenului este de a
reforma, la bordul mașinii, un combustibil bogat în hidrogen, generând astfel gazul
necesar atunci când este nevoie. Deoarece reformato rii au nevoie de un timp rapid
de răspuns, ar fi preferați combustibili ce pot fi prelucrați la temperaturi relativ
scăzute. Dintre combustibilii lichizi, metanolul es te unic, datorită faptului că poate
fi reformat la 260° C, comparativ cu 600-900° C nec esare benzinei, etanolului,
gazului natural și a propanului. Prin urmare, metan olul este considerat cel mai
important candidat la reformarea combustibilului la bordul automobilului. Cu toate
acestea, în cazul în care hidrogenul va fi adoptat pe scară largă, realimentarea va
deveni un proces foarte diferit. Deși realimentarea cu hidrogen este încă în curs de
dezvoltare, acesta oricum implică utilizarea unei c onexiuni flexibile între aparatul
distribuitor și automobil, unde se creează un siste m sigilat.

Automobilele cu pile de combustibil sunt mult mai e ficiente din punct de
vedere a energiei, comparativ cu cele convenționale – sistemele cu propulsie
electrică sunt mult mai potrivite pentru operațiile de oprire-pornire și practic nu
utilizează deloc energie, atunci când staționează. De asemenea, frânele regenerative
îmbunătățesc eficiența consumului de combustibil cu până la 20%. Dacă la
producerea hidrogenului se utilizează energie regen erabilă, atunci ciclul de viață al

68 emisiilor de gaze cu efect de seră sunt practic zer o. Cu excepția vaporilor de apă,
acesta este un adevărat automobil cu zero emisii.

Estimările bazate pe unele modele sugerează un cicl u de viață foarte scăzut a
emisiilor reglementate, asociate cu automobilele cu pile de combustibil. Emisiile
reglementate din Marea Britanie a vehiculelor cu pi le de combustibil pe bază de
hidrogen se anticipează a fi semnificativ mai mici decât a celor pe benzină, emisiile
NOx fiind reduse cu până la 70%. Ca și în cazul emi siilor de gaze cu efect de seră,
în cazul în care este utilizată energia regenerabil ă pentru producerea hidrogenului ca
combustibil, atunci emisiile reglementate sunt din nou egale cu zero.

Deoarece automobilele cu pile de combustibil nu au intrat încă în producția
comercială, nimeni nu poate prezice cu certitudine cât de mult va costa întreținerea
unui automobil cu pile de combustibil, dar este foa rte probabil ca prețul de achiziție
a acestora să fie mult mai mare, decât a celor pe b enzină sau diesel (până la 100%).
Cu toate acestea, prețul va scădea, dacă va fi prod us un număr suficient de
automobile cu pile de combustibil. Prezicerea costu rilor de întreținere este dificilă
din cauza incertitudinilor cu privire la metoda de producție a cererii de combustibil
pe bază de hidrogen. Cel puțin, costurile mari de a chiziție ar putea fi compensate de
costurile mai mici a carburanților (datorită econom iei mare de combustibil a
automobilelor cu pile de combustibil). De asemenea, costurile de service, întreținere
și reparație pentru mașinile cu pile de combustibil rămân a fi necunoscute, deși
acestea se prognozează de a fi mai mici, decât la m așinile convenționale, din cauza
numărului redus de piese în mișcare într-un motor c u pile de combustibil.

În prezent, nici un automobil alimentat cu pile de combustibil nu este produs
în serie. Cu toate acestea, situația ar putea să se schimbe dramatic în următorii ani.
Pe străzile din Marea Britanie, deja sunt utilizate vehicule demonstrative cu pile de
combustibil, printre acestea fiind câteva cab-uri ( taxi-uri) negre și autobuze
Mercedes-Benz Citaro. Autobuzele au fost folosite c a parte a programului european
„Transport Urban mai Curat pentru Europa” (TUCE), c are a durat din 2003 până în
2007 și a demonstrat cu succes potențialul hidrogen ului, odată cu cele 30 de
autobuze cu pile de combustibil din întreaga Europă .

La nivel mondial, au fost dezvoltate câteva sute de prototipuri auto cu pile de
combustibil, iar câteva dintre acestea se folosesc de unele companii și agenții
guvernamentale în flotele sale de automobile – aces tea includ câteva exemplare
Mercedes-Benz Clasa A F-Cell (Berlin) și Honda FCX Clarity (California). Multe
din acestea folosesc un motor cu pile de combustibi l dezvoltat de compania Ballard
Power Systems din Canada, una dintre primele compan ii ce au realizat potențialul
tehnologiei pilelor de combustibil. Totuși, aproape fiecare producător de automobile
are în programul său de dezvoltare și un model cu p ile de combustie. Singura
întrebare rămâne a fi cât timp va dura, înainte ca prima mașină cu pile de
combustibil să apară într-un showroom.

69 În Marea Britanie, spre exemplu, „London Hydrogen P artnership”
coordonează activitățile de parteneriat pentru a ex plora unele barieri asociate cu
adoptarea vehiculelor cu pile de combustibil. Parte neriatul cercetează condițiile
necesare pentru o infrastructură de realimentare cu hidrogen în Londra, precum și
costurile de investigație și timpul necesar punerii în aplicare în capitală a
vehiculelor cu pile de combustibil.

Fig.3.1.. Honda FCX Clarity – pile de combustie, mo del al anului 2010)

70 4. GENERAREA MODELULUI FIZIC CU ACUMULATORI

Cel mai nou și cel mai avansat sistem hibrid de tra nsmisie HYBRID SYNERGY DRIVE
HSD de la Toyota cumulează avantajele unui motor el ectric și unui motor cu combustie internă
(benzină sau motorină).

Dispozitiv pentru transmisia mișcarii

Generator

71

Command Unit

Din toate sistemele de mai sus, dispozitivul de tra nsmisie a mișcării a fost ales pentru
modelare.

Reductorul de transmisie cu serie paralelă de trans misie a unui vehicul electric hibrid are
următoarele componente:

• sateliți de susținere a coroanei
• sateliți de susținere a arborelui
• roată pinion satelit
• roată de lanț

În imaginea de mai jos este prezentat ansamblul red uctorului, iar în continuare sunt
prezentate pașii luați în formarea fiecărui element .

72

4.1.Coroana port-Sateliți

Pasul 1

Am început prin generarea unui plan de lucru, în ti mp ce am creat simultan un plan de
schiță ca pe un plan. Am realizat un profil similar celui din Figura4.1 pe care l-am transformat
într-un profil parametric cu constrângeri geometric e și dimensionale, solidul realizându-se printr-o
caracteristică de revoluție.

Figure 4.1 Figure 4.2

73

Pasul 2

Fig.4.3

Pasul 3

Fig. 4.4

74

Pasul 4

Fig. 4.5

Pasul 5

I

Fig. 4.6 Fig. 4.7

75

Fig. 4.8

Pasul 6

Ultimul pas a fost de a realiza un canal și o gaură pentru un șurub M10 cu care să fixăm
lanțul roților. Cotele sunt prezentate în figura 4. 9.

Fig. 1.9

76 4.2. Suport sfera sateliților

Pasul 1

Fig. 4.10

Pasul 2

Fig. 4.11

Pasul 3

Fig. 4.12 Fig. 4.13

77 Cu ajutorul funcției de extrudare a șuruburilor am creat 3 cilindri de susținere pentru
sateliții de lungime de 95 mm, așa cum se arată în Figura 4.13.

Pasul 4

Fig. 4.14 Fig. 4.15

4.3. Roți satelit

Fig. 4.16

78

4.4. Butucul satelitului

Fig. 4.17

4.5. Roata de lant

79
Rezultat Final

BIBLIOGRAPHY

1. Oprean, I.M., – Automobilul modern. Cerințe, restricții, soluții , Editura Academiei Române, București, 2003.
2. Hirose, K., s.o., – Overview of Current and Future Hybrid Technology , ATA vol. 55, no. 11/12, pp. 365-373, 2002.
3. Chappini, E., – Recupero di energia cinetica sui veicoli , ATA Ingegneria dell’autoveicolo, pp. 49-54, maggi o-
giugno 2005.
4. Cristescu, C, – Sistemele hibride de propulsie a autovehiculelor ur bane Buletinul AGIR nr. 4/2009
5. Broge, J.L., Permo – Drive technology generates energy , SAE Off-Highway Engineering, aprilie 2003.
6. Buchholz, K., – Smarter military vehicles , SAE Off-Highway Engineering, februarie 2006.
7. Burciu M – Sistemul de propulsie hibrid, funcțio nare, variante constructive, metode de calcul
8. Marinescu D,M – Sisteme hibride de propulsie Note de curs.
9. Tsai , L.W. , Schultz, G., Higuchi , N. – 2000 , – “ A Novel Parallel Hybrid Transmission ” ,ASME Journal of
Mechanical Design.
10 Schultz, G. , Tsai, L.W. , Higuchi N., Tong, I . C. – 2001 , – “ Development of a Novel Parallel Hybrid
Transmission ” , Transmission and Driveline System Symposium , paper No. SAE 2001-01-0875 , SAE 2001
Congress , Detroit , MI.
11 Burciu M., – “Acționări cu motoare cu ardere in ternă ” , vol I,II , Ed. Bren , București 2003 .
12. Prospecte de firme constructoare de autovehicul e TOYOTA, Porsche, Peugeot, Citroen.