Studiu comparativ prin simulare numerică a vehiculelor compacte propulsate cu motoare cu ardere internă și hibrid [302261]

Universitatea ,,Politehnica” [anonimizat] a vehiculelor compacte propulsate cu motoare cu ardere internă și hibrid

Coordonator științific:

Ș.l.univ.dr.ing. Lontiș Nicolae

Absolvent: [anonimizat], pe parcursul evoluției istorice, s-a bazat pe activități continue și specifice ale cunoștințelor de mediu. Cunoștințele acumulate de-a lungul timpului au fost folosite pentru a realiza salturile de progres ale civilizației (în fiecare etapă istorică a dezvoltării societății umane). Procesul de cunoaștere a mediului a fost realizat prin abordarea specifică a operațiunilor, în apropiere și prin reconstrucția realității. Instrumentele bazate pe cunoaștere pot fi clasificate în două clase principale:

• [anonimizat]. Colectarea datelor a [anonimizat].

• [anonimizat]. Procesul de gândire a [anonimizat]. [anonimizat], legi valabile și / sau teoreme generale pentru procesul și / sau fenomenul studiat.

[anonimizat] s-au bazat în principal pe observarea și măsurarea unui anumit aspect al naturii și / [anonimizat] o realitate imediată pentru a ușura existența umană. Odată cu evoluția istorică a civilizației umane și a [anonimizat].

Acest proces a [anonimizat], în funcție de fenomenul studiat. [anonimizat] a fost de a stabili modele care pot fi alocate altor fenomene și / [anonimizat].

Astfel au apărut primele încercări de modelare a mediului, cu definirea primară a conceptului de sistem. Realizând această abordare a fost înlocuirea sistemului sursă naturală (fizică) cu o soluție abstractă echivalentă (folosind instrumente de observare și măsurare) care pot fi analizate în continuare utilizând instrumente specifice.

Sistemul a fost o entitate compusă din caracteristici clare și o generalitate ridicată a [anonimizat] (observabili și măsurabili) și parametrii de ieșire (de previzibilitate).

[anonimizat] a sistemului a început să fie din ce în ce mai utilizat în toate domeniile legate de activitățile umane.

[anonimizat], teoria sistemului definește conceptul de "sistem" ca fiind o multitudine bine structurată și structurată de elemente interconectate bine determinate în cadrul sistemului (dar fără legătură cu mediul extern al sistemului).

Conexiunea dintre mediul extern și sistem se realizează prin utilizarea parametrilor sistemului care caracterizează relația intrări / ieșiri a entităților prezentate (mediu / sistem).

Exprimarea relațiilor dintre valorile de intrare și ieșire ale sistemelor se realizează prin utilizarea seturilor de valori asociate valorilor de intrare / ieșire sau prin utilizarea funcțiilor matematice.

Sistemul este caracterizat prin seturi de dimensiuni alocate cărora li se atribuie anumite atribute. Atributele statice sunt caracterizate prin valori fixe (constante) numite "parametrii sistemului". Atributele dinamice primesc valori diferite (pentru momente diferite) și se numesc "variabile descriptive ale sistemului."

În funcție de posibilitatea inițierii unui proces de modelare (atribuirea unui model fenomenelor reale), sistemele pot fi în general clasificate în funcție de seturile de valori variabile și în funcție de structură.

Clasificarea sistemelor bazate pe setul de valori ale variabilelor se face în funcție de tipurile variabilelor (analogice sau digitale) și după variația în timp a variabilelor (continuă, discontinuă și discretă).

În plus, conceptul de "model" reprezintă o reprezentare a caracteristicilor esențiale ale unui sistem, pentru a determina comportamentul acestuia și, de asemenea, variația parametrilor de ieșire la parametrii de intrare.

Modelarea, ca activitate și ca procese de elaborare a unui model precis referitor la un sistem sursă, urmați pașii următori (figura 1.1):

• construirea modelului de bază (inițial)

• analiza modelului

• compararea rezultatelor

• corectarea modelului

Avantajele imediate și majore ale utilizării modelelor pentru studierea comportamentului unui sistem sunt:

​​• disponibilitatea pentru studiu și analiză este mai mare decât a sursei sistemelor

• cost și timp redus de implementare, testare și experimentare

• ușurința de a schimba structura modelului (în funcție de scopul dorit)

• oferă indicii despre modificarea comportamentului sistemului sursă, pe baza variației variabilelor luate în studiu.

Figura 1.1 Structura de bază a teoriei de modelare []

Odată ce observațiile bazate pe sistemul sursă pot oferi un model care să caracterizeze evoluția sa, în funcție de variația variabilelor luate în considerare, poate trece la următoarea fază, și anume procesul de simulare.

Procesul de simulare poate fi definit, în termeni generali, ca toate activitățile funcționale și / sau operaționale ale unui model care reprezintă imaginea unui sistem sursă care trebuie analizat.

Deoarece modelul atașat la un sistem sursă este alcătuit dintr-una sau mai multe expresii matematice (sub forma unor ecuații care descriu relațiile dintre componentele modelului), procesele de simulare sunt realizate utilizând simularea pe calculator.

Există trei activități principale în realizarea unui proces de simulare: dezvoltare, testare și funcționare (figura 1.2).

Lucrările de dezvoltare se referă la integrarea modelelor matematice care definesc starea sistemului și variabilele în coduri informatice (linii de cod, programe) care pot fi prelucrate ulterior cu ajutorul computerelor.

În faza de testare a modelului este necesară verificarea comportamentului său în condiții specificate (dacă implementarea modelului ia în considerare ipotezele inițiale).

Rezultatele trebuie analizate cu atenție pentru a obține evaluarea corectitudinii modelului, prin analogie cu datele obținute direct din sistemul sursă.

Dacă modelul este valabil și procesul de simulare este funcțional, atunci se desfășoară a treia fază, activitățile de operare ale modelului.

Operarea modelului poate impune anumite condiții asupra sistemului sursă studiat, condiții care nu ar fi fost posibile prin experimente directe asupra sistemului sursă fizică.

Rezultatele ar trebui analizate și utilizate atât pentru îmbunătățirea modelului, cât și pentru optimizarea comportamentului sistemului sursă în funcție de obiectivele inițiale ale cercetării.

Figura 1.2 Structura generală a unui proces de simulare []

În zilele noastre, conceptul de "mobilitate" caracterizează cel mai bine societatea umană. Mobilitatea bunurilor, a oamenilor și a ideilor participă activ la progresul tehnologic, economic, social și cultural al omenirii (în ansamblu).

În domeniul transporturilor există cerințe specifice legate de protecția mediului, care impun producătorilor de vehicule să ia măsurile necesare pentru a găsi soluții tehnologice pentru integrarea domeniului transport într-o structură generală și necesară a dezvoltării societății umane pe o bază durabilă.

Sectorul transporturilor este în prezent responsabil pentru peste 20% din emisiile de poluanți de seră, emisii care afectează în mod direct condițiile climatice ale planetei. Creșterea emisiilor în legătură cu atingerea gradului maxim de regenerare naturală a mediului duce la probleme serioase legate de poluare [2-4]. În mod firesc, Uniunea Europeană (în principal) a formulat politici și acțiuni de reducere a emisiilor din activitățile asociate societății umane.

Provocarea majoră în acest domeniu, în domeniul transporturilor, este reducerea imediat a emisiilor de gaze cu efect de seră (GES) emise în atmosferă.

Deoarece emisiile poluante provenite de la vehicule sunt cauzate de arderea combustibilului (în general combustibili fosili), creșterea eficienței și eficacității sistemului de propulsie al vehiculului este în mod constant punctul central al atenției cercetătorilor din industria automobilelor.

Competitivitatea și concurența în acest domeniu obligă utilizarea mijloacelor și a metodelor de cercetare și dezvoltare care sunt viabile din punct de vedere economic (reducerea costurilor și a timpului de introducere pe piață a soluțiilor tehnologice noi și îmbunătățite).

Modelarea diferitelor procese și fenomene naturale sau artificiale în inginerie se realizează prin aplicarea și performanța modelelor matematice complexe (care țin cont de ipoteze multiple și de o gamă largă de factori determinanți) prin utilizarea programelor informatice ultra-rapide privind prelucrarea electronică în medii computerizate.

Pentru aceasta, se aplică metode numerice pentru ecuațiile discretizate care definesc starea și / sau evoluția sistemului tehnic considerat. Folosind viteza mare și viteza de procesare a informațiilor disponibile de la computerele de astăzi (pentru analiza seturilor complexe de date), ecuațiile care oferă multiple legături între diferiți factori de dimensiuni diferite pot fi determinate în timp real.

Folosind această metodă, procedeele de rezolvare a problemelor complexe în procesare sunt substanțial reduse, la secvențe temporale de dimensiuni discretizate, cu beneficii imediate pentru a realiza economii de timp și de muncă. Codul dezvoltat matematic este implementat în continuare ca unul dintre limbile de programare adecvate.

Unele dintre aceste limbi de programare au avantajul capacității de programare orientate pe obiect și al sintaxei accesibile pentru utilizator. Aplicațiile dezvoltate folosind codurile de programare permit simularea sistemelor și subsistemelor funcționale care compun structura funcțională a unui vehicul.

Utilizând instrumentele software existente în acest domeniu, simulările pot fi dezvoltate, controlate și coordonate (în același timp) pentru a obține rezultate și soluții pentru optimizarea și îmbunătățirea performanțelor sistemelor tehnice ale vehiculului și sunt analizate în termeni de performanță și de eficiență operațională.

Aceste aplicații permit sau construiește modele liniare sau neliniare (în funcție de complexitatea și potențialul de procesare a programului software), de linii de procesare a computerelor și de matrice, caracterizate de condițiile de graniță în diferite puncte (zone) și de condițiile stadiului inițial al considerat sistem tehnic.

Modelarea și analiza detaliată a sistemului de propulsie a fost, este și va fi considerată permanent în cercetare la nivel mondial. Datorită complexității structurii tehnice a unei motoare, cercetarea se concentrează pe studierea unei singure componente sau a întregului sistem de propulsie sau prin studierea interacțiunilor dintre acestea și sistemul general constructiv-funcțional al unui vehicul [5, 6 ].

Modelarea și simularea abordării caracteristicilor tehnice și funcționale care influențează sistemul de propulsie este larg prezentată în capitolele ulterioare ale acestei cărți. Pentru procesele de modelare și simulare au fost utilizate pachetele software CRUISE (AVL List GmbH) și CarMaker (IPG GmbH). Aceste pachete software au fost dezvoltate pentru aplicații de precizie în analiza și performanța dinamică a sistemelor tehnice ale unui vehicul.

Sunt prezentate metode detaliate, metodologii și abordări pentru aplicarea imediată a proceselor de modelare și simulare, pentru a analiza sistemele tehnice și / sau subsistemele din care este compus, pentru a oferi un instrument puternic oricărui cercetător care dorește să utilizați imediat și aplicați aceste pachete software de modelare și simulare în activitățile de cercetare.

Structura fiecărui capitol permite fiecărui cercetător să faciliteze procesul de modelare și simulare a sistemului tehnic al unui vehicul, în conformitate cu cerințele și cerințele specifice ale acestuia. Acest lucru este posibil datorită prezentării detaliate a algoritmilor pentru construirea și funcționarea modelelor prezentate.

O simulare numerică este un calcul care se execută pe un computer în urma unui program care implementează un model matematic pentru un sistem fizic. Sunt necesare simulări numerice pentru a studia comportamentul sistemelor a căror modele matematice sunt prea complexe pentru a oferi soluții analitice, ca în majoritatea sistemelor neliniare.

Modelarea și simularea sistemlelor de propulsie hibride se realizează folosindu-se diferite unelte și platforme comerciale de simulare, printre care se regăsesc mediile de simulare LabView, AMESim și Simulink.

Prin modelare, se dezvoltă, suplimentar de modele de autovehicule hibrid electrice virtuale, și modele speciale ale sistemelor și elementelor componente specifice pentru investigarea randamentului energetic, prin interpretarea termică a acelora introduse suplimentar sistemului de propulsie convențional, care ulterior este necesar a fi integrate într-un model complex.

Această abordare include producerea de energie, pierderile energetice și gestionarea energiei, concentrându-se pe aspecte termice. De asemenea, se elaborează strategia de optimizare prin combinarea perfomanțelor termico-energetice cu manevrabilitatea autovehicului virtual.

Rezultatul modelării și simulării constă în dezvoltarea unui prototip virtual de autovehicul hibrid electric.

Datorită existenței uneltelor de simulare complexe, un sistem poate fi proiectat aproape în întregime în mediu virtual. În momentul în care se găsește soluția optimă se poate trece la etapa de creare a prototipului, în vederea verificării finale a rezultatelor predeterminate.

O astfel de metodă este cunoscută sub denumirea de crearea de prototipuri virtuale.

Plecând de la stadiul de idee, fiecare produs suferă mai multe modificări până în momentul în care este realizat. Proiectarea tradițională (fig.1.3) cuprinde, pe lângă etapa de modelare geometrică, etapa de analiză și mediul de realizare fizică a produsului, o serie de etape suplimentare. Acestea constau în crearea mai multor prototipuri fizice pentru a se ajunge la o variantă care să satisfacă obiectivele propuse.

O serie de avantaje atrag justificativ folosirea metodei prin care se creează prototipuri virtuale (fig. 1.4).

Fig. 1.3. Abordare pentru proiectarea tradițională [17]

Fig. 1.4. Abordare pentru proiectarea virtuală [17]

Modelul de simulare poate suferi anumite modificări pe baza analizelor pe care le suportă.

Prototipul virtual realizat beneficiază la rândul său de analiză, putându-se opera cu ușurință modificările necesare, fără a necesita costuri suplimentare majore. Odată cu finalizarea modelului de simulare prin validare a modelării, prototipul virtual realizat poate fi trimis către etapa de producție.

Dezvoltarea prototipului virtual urmărește ciclul în ,,V’’ (fig. 1.5), și se caracterizează prin trei etape esențiale, constând în dezvoltarea sistemului mecanic în strânsă legătură cu sistemul electronic. Dezvoltarea sistemului de propulsie hibrid electric se realizează pornind de la elemente componente simple, care prin îmbinare realizează subsisteme, sistemul final fiind realizat din subsistemele realizate.

Fig. 1.5 Ciclul de dezvoltare în ,,V’’ [17,23]

Este esențial ca încă de la început să se realizeze alegerea arhitecturii sistemului de propulsie hibrid electric și stabilirea elementelor componente ale acestuia, necesare pentru determinarea consumului de energie (stocată sub formă electrică, în baterii, și lichidă-chimică, în rezervorul de combustibil). Pentru proiectarea detaliată a sistemului de propulsie și a elementelor de control este necesară definirea modurilor de operare a sistemului de propulsie hibrid electric. Definirea modurilor de operare a sistemului de propulsie hibrid trebuie realizată anterior stabilirii arhitecturii folosite, fiind necesară urmărirea acestor moduri de operare pe tot parcursul proiectării. Validarea prototipului realizat va fi posibilă concomitent cu pre calibrarea programului de control folosit. Dezvoltarea sistemului mecanic va fi într-o continuă comunicare cu dezvoltarea sistemului electronic.

Caracteristicile dinamice și de consum de combustibil pentru cicluri de deplasare predefinite trebuie să fie superioare performanțelor dinamice și de consum ale autovehicului convențional. Prin urmare, pe baza acestora și respectând principiul de funcționare al unui sistem de propulsie hibrid electric, se definesc modurile de operare și funcționare pe care unitatea electronică de control le impune la utilizare.

Unitatea electronică de control a sistemului hibrid definește și gestionează modurile de funcționare ale sistemului hibrid. Unitatea electronică de control a modelului poate fi realizată virtual, folosindu-se un mediu de simulare (MATLAB-Simulink), fiind implementată și integrată în modelul autovehicului hibrid prin intermediul unei interfețe de simulare sau co-simulare.

Sistemele de propulsie hibrid electrice pot avea arhitecturi constructive diferite, stabilite în funcție de mai mulți factori, printre care destinația lor, de performanțele pe care trebuie să le dezvolte, de caracteristicile masice și dimensionale ale elementelor componente folosite corelate cu spațiu disponibil pe autovehicul, de puterea dezvoltată de sistem, de modul de cuplare a elementelor componente ale sistemului hibrid.

Dezvoltarea prin modelare computerizată a unui sistem de propulsie hibrid urmărește alegerea unei arhitecturi prin care să se realizeze consumul minim de energie prin intermediul motorului termic, transmisiei, mașinii electrice și pachetului de baterii, încercând totodată să îmbunătățească perfomanțele dinamice ale autovehicului.

Modelul de autovehicul hibrid electric se poate dezvolta folosind mai multe medii de simulare, printre care și AMESim, care are în componența sa elemente componente configurabile și soluții de sisteme de propulsie predefinite.

Proiectarea virtuală detaliată a sistemului de propulsie hibrid electric debutează cu realizarea autovehiculului hibrid de bază. Modelul de bază trebuie să descrie proprietățile mediului de lucru al structurii fizice în conformitate cu modelul real. După optimizarea modelului de bază, pe parcursul dezvoltării celorlalte componente și subsisteme, acestea se integrează treptat. După fiecare etapă în care se adaugă un component sau subsistem este necesară verificarea și optimizarea modelului nou rezultat.

Proiectarea componentelor sistemului de propulsie hibrid electric constă în atribuirea parametrilor necesari componentelor autovehiculului, pentru a realiza funcționarea autovehiculului virtual cât mai aproape de funcționarea autovehiculului virtual cât mai aproape de funcționarea celui real. Unitatea electronică de control virtuală a sistemului hibrid electric ce urmează a fi prezentată este dezvoltată special, folosind mediul de programare, modelare și simulare MATLAB-Simulink.

Unitatea electronică de control hibridă HCU este implementată într-o manieră modulară, fiind un model separat realizat în MATLAB-Simulink afișat în fig. 1.6 , care rulează pe un computer în timp real, HCU conține 2 nivele de lucru. Primul nivel estimează cererea de putere și calculează, pe baza sarcinii curente, cererea de sarcină, corespunzătoare condițiilor de conducere. Acesta hotărăște când conducătorul autovehiculului solicită accelerarea, decelerarea sau deplasarea cu viteză constantă. Cel de-al doilea nivel de lucru selectează modul de funcționare hibridă a sistemului de propulsie, din cele șase moduri de funcționare disponibile propuse, pe baza cererii de putere, stării autovehiculului, cerințelor conducătorului autovehiculului și legilor tranziției între moduri. HCU înglobează patru controlere diferite (fig. 1.7), pentru motorul cu ardere internă, pentru mașina electrică, pentru transmisia cu variație continuă și pentru sistemul de frânare în vederea realizării frânării regenerative.

Fig.1.6. Modelul pentru controlul sistemului de propulsie hibrid electric realizat în MATLAB-Simulink

Cererea de putere este influențată de cererile conducătorului autovehiculului și de starea și proprietățile autovehicului. Pe baza acestor informații, cererea de putere curentă (puterea necesară pentru a realiza starea curentă de conducere a automobilului) și puterea cerută (diferența dintre puterea necesară pentru a realiza starea curentă a automobilului și puterea solicitată de conducător) sunt estimate și sunt folosite de către cele patru controlere și de către nivelurile de lucru.

Fig.1.7. Controlerul sistemului de propulsive hibrid electric

MAI – controller motor termic; MGE – controller mașină electrică reversibilă;

CVT – controler transmisie cu variație continuă; Fr – controler sistem de frânare [17]

Nivelul de lucru la care se selectează modul de funcționare hibrid decide care dintre cele șase moduri definite va fi selectat, ținând cont de starea de încărcare a bateriilor și cererea de putere.

Descrierea claselor de vehicule compacte cu sisteme de propulsie clasice și hibrid

Automobilele hibride electrice sunt superioare celor convenționale, atât din punctul de vedere al randamentului transformării energiei, cât și al emisiilor nocive.

Clasificarea sistemelor de propulsie hibride electrice se poate face după mai multe criterii:

În funcție de reutilizarea energiei stocate și modul de stocare a energiei electrice, sistemele de propulsie hibride electrice permit:

Funcționarea motorului cu ardere internă, cât mai aproape de polul economic;

Întreruperea funcționării motorului cu ardere internă, când nu este necesară funcționarea acestuia ( la semafor, folosind sistemul ,,Start&Stop’’);

Reutilizarea energiei recuperate în timpul sau în urma proceselor de frânare, cu ajutorul unei mașini electrice reversibile, motor-generator;

În funcție de modul prin care cuplul/puterea antrenează roțile motoare, sistemele de propulsie hibride electrice permit variantele prin care:

Motorul cu ardere internă este asistat de o mașină electrică, pentru a oferi aportul de putere necesar;

Cel puțin o punte a automobilului este antrenată de către un motor electric;

În funcție de modalitatea de conectare a motorului cu ardere internă și a motoarelor electrice, sistemele de propulsie hibride electrice pot avea:

Arhitectura hibridă paralelă, la care atât motoarele electrice, cât și motorul termic sunt conectate la roți, putând funcționa simultan sau individual (fig. 2.6.).

Arhitectura hibridă serie, la care motoarele electrice antrenează roțile/punțile motoare, motorul termic antrenând un generator pentru furnizarea de energie electrică (fig. 2.7.).

Transmisiile hibride mixte (fig. 2.8), denumite și cu ramificare de putere (split hybrid), utilizează sisteme electromecanice sau electromagnetice pentru a controla optim ramificarea puterii de la sursă și transmiterea ei roților motoare în funcție de cerințele de tracțiune și de performanțele dorite [9].

În funcție de puterea mașinii electrice sau de puterea dezvoltată de componentele electrice , sistemele de propulsie hibride electrice pot fi:

Micro-hibride ( Toyota Crown, fig. 2.1.);

Mediu-hibride (Honda Insight, fig. 2.2.);

Total-hibride (Hyundai Ioniq HEV, fig. 2.3.);

Plug-in Hibrid (Toyota Prius PHV, fig. 2.4.);

Range Extender (BMW I3 REx, fig. 2.5.);

Fig. 2.1. Toyota Crown (S200) [8]

Fig. 2.2. Honda Insight [9]

Fig. 2.3. Hyundai Ioniq HEV [10]

Fig. 2.4. Toyota Prius PHV [11]

Fig. 2.5. BMW I3s Rex [12]

Hibridizarea micro și medie reprezintă cea mai simplă versiune. Micro-hibridizarea este utilă în faza de demarare și utilizează energia recuperată, în timp ce hibridizarea medie folosește motorul electric pentru a suplimenta puterea necesară propulsării automobilului, acesta neputând fi propulsat numai electric. Acest sistem este benefic la deplasările cu viteze reduse, trafic intens cu opriri și porniri repetate (stop&go), când consumul și emisiile trebuie minimizate [9].

În funcție de gradul de hibridizare:

Hibrid integral (Full Hybrid), la care funcționarea automobilului poate fi realizată doar de motorul termic, doar de motorul electric, sau o combinație a ambelor, având un control complex;

Hibrid moderat (Mild Hybrid), care permite întreruperea funcționării motorului termic când nu este necesar (la semafor, în ambuteiaje), putând avea o mașină electrică interpusă între arborele cotit al motorului termic și transmisie, pentru a permite antrenarea motorului după oprirea automobilului, înainte de a se realiza alimentarea cu combustibil.

Hibrid cu alimentarea la rețeaua electrică (Plug-in hydrid), care prelua energia electrică pentru încărcarea bateriilor din rețeaua electrică de alimentare (la 220V sau 380V), putând folosi această energie fără a fi necesară pornirea motorului termic, funcționând și ca un automobil electric, și ca un automobil convențional, și ca un hybrid.

Fig. 2.6. Arhitectură hibridă electrică paralelă

Fig. 2.7. Arhitectură hibridă electrică serie.

Fig. 2.8. Arhitectură hibridă electrică mixtă/combinată.

Sistemele de propulsie hibride electrice se caracterizează și prin posibilitatea alegerii unor moduri de funcționarea diferite, în funcție de controlul proiectat și de capacitatea sistemului proiectat și anume:

Modul convențional: funcționează doar motorul electric, fără a avea aport energetic suplimentar.

Modul electric: funcționează doar motorul electric, preluând energia necesară din baterii, motorul termic nu furnizează aport de putere/cuplu pentru a se realiza propulsia;

Modul hybrid: funcționează atât motorul termic, cât și cel electric care ajută la propulsie;

Modul de recuperare a energiei la frânare: indiferent de tipul de frânare, energia cinetică este recuperată, fiind transformată de către un generator în energie electrică și înmagazinată în pachetele de baterii speciale;

Modul de putere ridicată: atât motorul termic, cât și cele electrice oferă putere maximă pentru a răspunde instant la cerințele utilizatorului;

Modul de încărcare a bateriilor: se poate întâlni în cazul mai multor regimuri de funcționare ale motorului termic, de exemplu, pentru a ajuta la încălzirea sistemelor catalitice în vederea reducerii rapide a emisiilor poluante și a putea oferi randament ridicat la fazele de accelerare, când motorul termic este sub temperatura optimă de funcționare, sau la viteze de deplasare superioare celei până la care poate funcționa sistemul hybrid, o parte din energia mecanică provenită de la motor fiind preluată de generator, transformată în energie electrică și înmagazinată în pachetul de baterii.

Arhitectura unui sistem de propulsive hibrid poate fi realizată în serie și în paralel. La un sistem de propulsie hibrid serie, motorul termic nu este cuplat mecanic la roțile motoare, puterea necesară deplasării automobilului fii deplasată și realizată prin sisteme hidraulice sau electrice. La un sistem de propulsive hibrid paralel se folosește legătura mecanică între motorul termic și roțile motoare.

Clasificarea sistemelor de propulsie hibride se poate face și în funcție de numărul de mașini electrice folosite (fig. 2.9):

Fig. 2.9. Clasificarea sistemelor de propulsive pentru autovehicule după numărul de mașini electrice folosite [30].

Stocarea energiei recuperate în timpul proceselor de decelerare se realizează în mai multe moduri în funcție de sistemul de stocare și redare a energiei (fig. 2.10):

Fig. 2.10. Clasificarea sistemelor de propulsie pentru autovehicule după tipul sursei de stocare și redare a energiei [30].

Convertirea energiei recuperate în energie mecanică transmisă către roțile motoare se poate face utilizând de asemenea mai multe tipuri de sisteme. Tipul sistemului de acționare al sistemelor de redare a energiei stocate reprezintă un parametru esențial pentru clasificarea sistemelor de propulsie hibride (fig. 2.11).

Fig. 2.11. Clasificarea sistemelor de propulsie pentru autovehicule după tipul sistemului de acționare pentru redarea energiei recuperate [30].

Sistemele de propulsie hibride serie au în componența lor cel puțin un generator electric și un motor electric sau cel puțin o mașină electrică reversibilă. Motorul cu ardere internă funcționează la o turație aproape constantă, indiferent de viteza automobilului, rezultând o mare economie de combustibil și emisii reduse la deplasarea în oraș. Energia este convertită în patru forme. Combustibilul stocat sub formă de energie chimică în rezervor. Energia chimică este transformată în energie mecanică în urma arderii din interiorul motorului termic prin dezvoltarea de lucru mecanic. Energia mecanică este transformată în energie electrică întrucât motorul termic antrenează un generator care dezvoltă energie electrică. Energia electrică va fi folosită de către un motor electric de tracțiune care va antrena roțile motoare, făcându-se astfel transformarea în energie mecanică (fig. 2.12).

Fig. 2.12. Fluxurile de energie în cazul unui sistem de propulsie hibrid serie [30].

Sistemele de propulsie hibride electrice serie sunt mai sensibile la condițiile de utilizare, dar asigură performanțe de consum și poluare foarte bune, inclusiv funcționarea electrică pură într-o zonă cu emisii zero.

Particularitățile sistemului hibrid sunt următoarele: absența legăturii mecanice între motorul cu ardere internă și roțile automobilului; absența cutiei de viteze mecanice; utilizarea a două mașini electrice de tracțiune diferite; pierderile mari la transformarea frecventă a energiei (mecanică – electrică și invers) mai ales la puteri electrice foarte mari; încărcarea bateriilor se realizează fie de la grupul motor cu ardere internă-generator electric, fie de la mașina electrică de tracțiune, care va transforma în regim de generator electric, la frânarea automobilului.

Sisteme de propulsie hibride paralele au în componența lor cel puțin o mașină electrică reversibilă, care poate funcționa și ca motor și ca generator, puterea la roată putând fi furnizată simultan sau separat de către cele două surse de putere. Întâlnim trei forme diferite de energie: chimică, mecanică și electrică. Energia chimică provenită din combustibilul fosil stocat în rezervor este transformată în energie mecanică în urma arderii în interiorul motorului termic și a dezvoltării lucrului mecanic, energie mecanică ce va fi utilizată, prin intermediul elementelor componente ale transmisiei, la antrenarea roților motoare. Atât motorul termic, cât și roțile motoare sunt surse de energie mecanică, antrenând astfel generatorul și dezvoltând energie electrică, ce ulterior poate fi folosită de către motorul electric la antrenarea roților motoare (fig. 2.13).

Sistemele de propulsie hibride paralele sunt mult mai flexibile din punct de vedere al modului de utilizare. Puterea și dimensiunea mașinii electrice pot fi astfel alese încât să se asigure un bun compromis între cost/complexitate și eficiență.

Fig. 2.13. Fluxuri de energie în cazul unui sistem de propulsie hibrid paralel [30].

Particularitățile sistemului hibrid paralel sunt următoarele: antrenarea cu motorul cu ardere internă și cu cel electric se face în paralel; se folosește o singură mașină electrică reversibilă, însumarea puterii de la cei doi arbori de antrenare; este necesară cutia de viteze mecanică; bateria poate fi încărcată atât de către motorul cu ardere internă, când funcționează la sarcini parțiale, cât și de către mașina electrică, în regimurile de decelerare ale automobilului.

Sistemele de propulsie hibride mixte combină aspectele pozitive atât ale configurației serie, cât și ale celei paralele evitând supradimensionarea și costurile ridicarea și oferă perfomanțe ridicate, maniabilitate și gestionare optimă a energiei disponibile, dar complexitatea și tensiunea mare a bateriilor necesită mașini electrice cu perfomanțe ridicate. La sistemele de propulsie hibride mixte (Split-Hybrid) este posibil ca numai o parte din puterea mecanică sa fie transmisă direct la roți, cealaltă parte fiind transmisă prin sistemul electric. În acest fel, există posibilitatea ca randamentul total al sistemului de propulsie să fie ridicat chiar și la viteze reduse de deplasare ale automobilului (fig. 2.14).

Fig. 2.14. Sistem de propulsie hibrid mixt utilizat pe Toyota Prius [30].

Clasificarea vehiculului clasic

În cea ce privește vehiculul clasic pe care am făcut cercetările este un Fiat Punto 2 din anul 2000, care s-a fabricat între anii 1999-2003, vehiculul este echipat cu un motor cu ardere prin scânteie aspirat natural, dispus transversal , are o capacitate cilindrică de 1.2 litri cu 16 valve în 4 cilindrii în linie, cu 4 supape pe cilindru, are un sistem de injecție multi-punct, are o putere de 84 CP (63 kW) la o turație de 5000 rot/min și un cuplu de 114 Nm la o turație de 4000 rot/min, cu raport de compresie de 10,6 la 1. Are o masă proprie de aproximativ 935 de kilograme, iar masa maximă autorizată este de 1445 de kilograme și un rezervor de 47 de litri. Vehiculul studiat este din clasa compactă, are o caroserie de tip Hatchback și are o lungime totală de 3835 de milimetri, lățime de 1660 de milimetri, înălțime de 1480 de milimetri, ampatament de 2460 de milimetri, are un coeficient aerodinamic de 0.32 și un diametru minim al cercului de virare de 10.2 metri. Vehiculul are un sistem de tracțiune pe puntea față și o cutie de viteze cu 5 rapoarte.

Fig. 3.1 Fiat Punto 2.

Comparații între vehiculul clasic și cel hibrid

Pentru acest capitol am ales să descriu programul în care am lucrat și în care am făcut cercetări cum ar fi AVL CRUISE v2015. AVL CRUISE dezvoltat de cei de la AVL LIST GMBH este un sistem care dezvoltă un dispozitiv matematic pentru realizarea legăturii dintre parametrii de intrare (care sunt observabili și măsurabili) și parametrii de ieșire (de previzibilitate) și parametrii de funcționare ai procesului de modelare și simulare a sistemului.

Programul de modelare și simulare are mai multe tipuri de vehicule prin care se studiază cum ar fi: vehicule convenționale, modele avansate, vehicule comerciale, modele GPS, modele hibrid și electrice, motociclete, modele Off- Road.

Fig. 4.1. Pagină start program AVL CRUISE v2015.

Pentru acest proiect mi-am ales un model de vehicul hibrid pe care doresc să îl modelez și să îl aduc cât mai aproape de modelul de vehicul clasic. Pentru a modela un vehicul trebuie parcurși următorii pași :

Pasul 1 : Alegerea modelului de vehicul.

În cazul meu mi-am ales un vehicul hibrid, după care îl încărcam în program și îl deschidem.

Fig. 4.2. Alegerea modelului de vehicul hibrid.

Pasul 2: Construirea modelului de vehicul după cel clasic

Vehiculul hibrid este construit din mai multe module. În aceste module vom modifica parametrii vehicului hibrid cu cei ai vehicului clasic adică caroseria și motorul restul rămânând aceleași.

Fig. 4.3. Modulele vehiculului hibrid.

Fig. 4.4 Modulul vehicului hibrid.

Fig. 4.5. Modulul motorului vehiculului hibrid.

Fig. 4.6. Cycle Run.

Fig. 4.7. Alegerea profilului traseului pentru simulare.

Fig. 4.8. Simulare a traseului înregistrat.

Al doilea program cu care am înregistrat traseele se găsește pe Google Play și se numește Ulysse Speedometer PRO. Programul se instalează de pe Google Play și se înregistrează cu telefonul mobil de tip Smartphone cu sistem de operare Android.

Fig. 4.9. Locul provenienței aplicației cu care am înregistrat datele.

Programul înregistrează traseul pe care îl parcurgi și înregistrează viteza, distanța parcursă, timpul în care am parcurs distanța respectivă, latitudinea, longitudinea și multe altele.

Fig. 4.10. Aplicația Ulysse Speedometer Pro.

Pentru a exporta traseul înregistrat ca fișier pe PC trebuie apăsat stânga sus lângă oră, apoi selectat “ Tracks” , apoi selectăm traseul înregistrat și apăsăm butonul de export de sus și apoi selectăm în ce format dorit să exportăm. Fișierul îl găsim pe sdcard/binarytoys/tracks/gpx. Eu am exportat deja câteva trasee înregistrate pentru mai multe măsurători.

Fig. 4.11.

Fig. 4.12.

Fig. 4.13.

Fig. 4.14.

După cum urmează, vom discuta despre testul de noxe pe care l-am efectuat la vehiculul meu clasic Fiat Punto 2 1.2 16v cu aparatul de analizat gazele de eșapament adică noxele.

Figura 4.15. Analizorul de gaze CAPELEC 3201 [].

Instalația CAP3200 este compusă din analizorul de emisii CAP3201, opacimetru și cărucior special construit pentru această stație.

Figura 4.16. Testul de noxe.

Figura 4.17. Măsurătorile noxelor la relanti.

După ce am măsurat noxele cu analizorul de gaze rezultatele obținute sunt următoarele:

Figura 4.18. Rezultatele testului de noxe.

Măsurători și concluzii

Pentru a finaliza măsurătorile am parcurs niște etape cum ar fi:

parcurgerea a minim 4 trasee de diferiți kilometrii

măsurarea consumului de combustibil pentru fiecare traseu în parte

poze cu traseele

concluzie

Traseul 1

Primul traseul pe care l-am măsurat are o distanță de 5.9 kilometri și o viteză medie de 18 km/h.

Figura 5.1. Primul traseu măsurat.

Figura 5.2. Graficul vitezei în funcție de timp la primul traseu.

Figura 5.3. Primul traseu simulat.

Figura 5.4. Profilul primului traseu.

Pe primul traseul cu vehiculul clasic am obținut cu un consum de 9,8 l la 100 de kilometri.

Traseul 2

Al doilea traseu pe care l-am măsurat are o distanță de 10,5 de kilometri și o viteză medie de 6 km/h.

Figura 5.5. Al doilea traseu măsurat.

Figura 5.6. Graficul vitezei în funcție de timp la al doilea traseu.

Figura 5.7. Profilul traseului 2.

În al doilea traseu am parcurs 10,5 kilometri și am avut un consum de 8,7 l la 100 de kilometri.

Traseul 3

Al treilea traseu pe care l-am măsurat are o distanță de 20 de kilometri și o viteză medie de 3,5 km/h.

Figura 5.8. Harta celui de-al treilea traseu măsurat

Figura 5.9. Graficul celui de-al treilea traseu.

Figura 5.9. Profilul celui de-al treilea traseu.

În al treilea traseu am parcurs 20 kilometri și am avut un consum de 9,2 l la 100 de kilometri.

Traseul 4

Al patrulea traseu pe care l-am măsurat are o distanță de 202 de kilometri și o viteză medie de 65 km/h.

Figura 5.10. Harta traseului 4.

Figura 5.11. Graficul traseului 4.

Figura 5.12. Profilul traseului 4.

În al treilea traseu am parcurs 202 kilometri și am avut un consum de 4.5 l la 100 de kilometri.

Concluzie

În opinia mea pentru fiecare din cele patru trasee au rezultat următoarele consumuri: traseul 1 consum de 9.8 l/100km, traseul 2 consum de 8.7l/100km, traseul 3 consum de 9.2l/100km, traseul 4 consum 4.5l/100 km.

Comparând rezervorul pe care îl am la Fiat Punto 2 de 47 de litri ajung să parcurg pe fiecare traseu următori kilometri: traseul 1 parcurg aproximativ 479 de kilometri, traseul 2 parcurg aproximativ 540 de kilometri, traseul 3 parcurg aproximativ 510 de kilometri, iar în traseul 4 parcurg aproximativ 1040 de kilometri.

[8]https://www.google.com/search?biw=1777&bih=841&tbm=isch&sa=1&ei=tMC-XOTbJsTcwAKEm4b4Dw&q=toyota+crown+hybrid+2008&oq=toyota+crown+hybrid+2008&gs_l=img.3…4657.5880..6467…0.0..0.125.592.0j5……1….1..gws-wiz-img…….0i19j0i30i19j0i8i30i19j0i8i30.2G6Y9SjMp5Y#imgrc=BGBwC4Q2mPtppM:

[9] https://www.autotrader.ca/newsfeatures/20180410/types-of-electric-vehicles-explained/

[10]https://www.google.com/search?q=hyundai+ioniq+hev&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwi19__G3OXhAhVktIsKHY0XCOkQ_AUIDigB&biw=1777&bih=786#imgrc=1WGiMkTkuQuLvM:

[11]https://www.google.com/search?biw=1777&bih=786&tbm=isch&sa=1&ei=FMO-XMGPG4KbsAe5j7qQBQ&q=plug-in+hybrid&oq=plug-in+hybrid&gs_l=img.3..0j0i30l9.297431.304685..305393…0.0..3.200.2292.0j16j1……2….1..gws-wiz-img…..0..35i39j0i67.CvWgijlAgiE#imgdii=DGeeH357UpC_kM:&imgrc=Whv3oqY97Vzn2M:

[12]https://www.google.com/search?biw=1777&bih=786&tbm=isch&sa=1&ei=R8S-XMDoE4P6kwXa5ojwDA&q=bmw+i3+range+extender+EV&oq=bmw+i3+range+extender+EV&gs_l=img.3…179340.187156..187399…1.0..2.131.3562.0j30……2….1j2..gws-wiz-img…..0..0j0i30j35i39j0i67j0i10i24j0i19j0i5i30j0i30i19j0i5i30i19j0i8i30i19.lNWqdsc3_Y8#imgrc=c4qndXszqV4HkM: