automobilul electric
TRANSCRIPT
Universitatea Politehnica, BucurestiFacultatea de Inginerie Electrica
Automobilul electric
Proiect realizat de
-2007-
Cuprins
1. Istoria automobilului electric
2. Generalitati
3. Modele de automobile electrice
3.1. Chevrolet Geo Prism 1994 EV
3.2. Tesla Roadster
4. Comparatie intre automobile electrice
5. Parti componente. Descriere amanuntita
5.1. Controler (Chopper/Invertor)
5.2. Motorul electric
5.3. Baterii
5.3.1. Tipuri de baterii
5.3.2. Utilizarea supracondensatoarelor
6. Concluzii. Avantaje si dezavantaje
7. Bibliografie
2
1. Istoria autovehiculului electric
Istoria autovehiculului electric a inceput la mijlocul anilor 1800 si a
tinut recordul de viteza terestra pana in 1900. Pretul ridicat si scazut al
vehiculelor electrice a fost comparat mai tarziu cu cel al vehiculelor cu
combustie interna cauzat de declinul mondial al folosirii lor, si a fost recent
adus in fata opiniei publice.
Origini si dezvoltari
Thomas Edison si masina electrica , 1913
Motivul puterii electrice a inceput cu o mica cale ferata comandata cu
un motor electric in miniatura construit de Thomas Davenport in 1835. In
1838, un scotian pe nume Robert Davidson a construit o locomotiva
electrica care a atins viteza de 4 mph. In Anglia un patent a fost acordat in
1840 pentru folosirea sinelor pe post de conductoare si un patent american a
fost editat de Lille si Colten in 1847. Intre 1832 si 1839 Robert Anderson a
3
inventat primul vagon electric nefinisat, alimentat cu baterii primare
nereincarcabile.
Masinile electrice au inceput sa devina populare datorita zgomotului
redus si mersul lin decat al altor masini. Dupa imbunatatirile aduse
bateriilor, masinile electrice au inceput sa infloreasca. Oricum acestea erau
doar in Europa. Pana in 1890 nu a acordat atentie sporita dezvoltarii acestei
tehnologii. Doi constructori diferiti de automobile A. L. Ryker si William
Morrison in 1891 a adus automobilul electric in centrul atentiei in America.
Prima aplicatie comerciala a unei masini a fost in 1897 cand Electric
Carriage &Wagon Company din Philadelphia a construit taxiuri pentru
parcul auto al New York-ului. Pana in 1899, automobilele electrice a detinut
recordul la viteza. La trecerea in secolul XX erau produse de Anthony
Electric, Baker Motor Vehicle, Detroit Electric, Woods Motor Vehicle si
altii la un moment dat vor scoate de pe piata autovehiculele cu combustie
interna.
Trenurile electrice erau folosite pentru transportul carbunelui din mine
deoarece nu consumau pretiosul oxigen. Elevetia ducea lipsa de resurse de
carbune ceea ce ia fortat sa electrifice reteaua de linii ferate foarte rapid. In
1916 , Woods a inventat prima masina hibrida, combinand motorul electric
cu cel cu combustie interna.
Inceputul secolului XX a fost apogeul automobilului electric
american. Multe fabrici au contribuit la caderea automobilului electric, dar
lovitura finala se pare ca au dat-o producatorii automobilelor cu combustie
interna prin Henry Ford. Productia in masa a automobilelor costa mai putin
de jumatate decat orice masina electrica. Automobilul electric a fost declarat
mort pana in 1960.
4
Criza petroliera a capatat interes pentru descoperirea altor carburanti.
Multe companii au decis sa reinnoiasca automobilul electric pentru
transportul coletelor postale. Guvernele din intreaga lume a fortat industria
petroliera sa protejeze mediul inconjurator. Multe legi au influentat la scara
mare constructorii de automobile sa dezvolte prototipuri ale automobilului
electric. Multe modele cum ar fi Toyota Prius au devenit extrem de
populare. Cu toata speranta preturile automobilelor electrice vor scadea si
astfel vom proteja mediul inconjurator.
Europa
Modelul canadian Dynasty EV cu 4 usi “automobilul electric de
cartier”
5
Modelul Citroen Berlingo dube electrice ale ELCIDIS (serviciu de
distributie bunuri in La Rochelle, Franta)
Minidubele electrice produse de Micro-Vett aveau la baza modelul
Piaggio (Issuzu) vehicul care a inlocuit motoarele cu combustie interna
pentru serviciile de distributie in Roma
6
Franta a vazut marea dezvoltare a autovehiculelor electrice pe baterii
in 1990; cel mai de succes model fiind Peugeot Partner/Citroen Berlingo, din
care cateva mii au fost construite, in mare parte pentru parcul auto al
municipalitatii.
Trei parteneri (Heuliez, Dassault and Hydro-Quebec) si-au unit
eforturile si au lansat o companie Societatea de Vehicule electrice care au
construit cateva versiuni de Cleanova.
In Norvegia vehiculele cu zero emisie sunt scutite de taxe si pot folosi
banda autobuzelor pentru circulatie.
In Elvetia, vehiculele electrice sunt populare printre utilizatorii privati.
Din 1985 pana in 1995 era un concurs annual la care participau nuami
vehicule electrice solare, numit Tour de Sol (Turul Soarelui). Rezultatele
obtinute au dus la dezvoltarea vehiculelor folositoare si stilate, cele mai
multe avand unul sau 2 scaune si 3 roti. Unele vehicule aveau sursa de
energie exclusiv pe baza celulelor solare, altele forta umana, dar cele mai
multe foloseau indirect energia solara, introdusa intr-o retea nationala care
avea puncte de acces numite Park & Charge la care era conectata si
Germania si Austria.
In Marea Britanie, Londra, vehiculele electrice sunt scutite de taxa de
incarcare desi aceastea trebuiesc inregistrate si platit anual 10 lire. Cu 8 lire
platite zilnic la fiecare incarcare ar putea aduce o economie anuala de 2000
de lire, acesta este motivul principal pentru care vehiculele electrice sunt
cele mai vandute in Londra. Cel mai popular autovehicul al momentului este
Reva G-Wiz, 750 fiind pe sosele din mai 2007.
In majoritatea oraselor din Regatul Unit, camioanele pentru transport
produse lactate sunt autovehicule electrice. Un grup pe nume Battery
Vehicle Society organizeaza regulat curse si evenimente pentru vehiculele
7
construite acasa. Inventatorul Clive Sinclair a dezvoltat un autovehicul
extrem de ieftin , cu 3 roti, numit Sinclair C5. Acesta a generat un enorm val
de publicitate dar nu a fost de ajuns ca sa dezvoltareae in serie a acestui tip
de autovehicul.
In Italia toate autovehiculele electrice sunt scutite de taxe si au o
reducere substantiala la asigurare. In majoritatea oraselor colectatea
gunoaielor este facuta de camioane electrice. Mai departe accesul in zonele
istorice din centrele anumitor orase, este permis numai cu vehicule electrice
(Ca si in Roma).
8
2. Generalitati despre autovehicule electrice
In principiu, orice automobil care are motor de tractiune electric este
considerat automobil electric. Sursa de alimentare, aflata pe vehicul, poate fi
de diverse tipuri, insa, pentru majoritatea covarsitoare a automobilelor
electrice realizate pana in prezent, sursa este o baterie de acumulatoare
electrice.
Vehiculele electrice au, fata de vehiculele cu motoare termice, o serie
de avantaje notabile, si anume:
reducerea drastica a poluarii chimice si fonice;
posibilitatea de utilizare a unor sisteme de actionare sofisticate, oferite de
cele mai moderne realizari in domeniul actionarilor electrice;
posibilitatea realizarii comode a sistemelor de franare antiblocante, prin
utilizarea franarii electrice; daca franrea este recuperative, se face si o
importanta economie de energie;
posibilitatea de actionare individuala a rotilor (eventual, prin inglobarea
motoarelor de tractiune in roti, realizand asanumitele motoroti); aceasta
conduce la simplificarea sistemelor de transmisie, cea mai importanta
fiind eliminarea diferentialului mecanic.
Principalele probleme pe care le pun automobilele electrice si care
ingreuneaza, deocamdata, proliferarea acestora sunt urmatoarele:
densitatea de energie si de putere a acumulatoarelor electrice actuale este
semnificativ mai scazuta decat a combustibililor ( 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
9
Wh/kg); aceasta face ca , pe de o parte, autonomia automobilelor
electrice sa fie inferioara celei din cazul automobilelor clasice: 150-250
km, fata de 400-800 km; pe de alta parte, viteza maxima a automobilelor
electrice (100-130 km/h) este mai scazuta 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 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
existente-, fie cu instalatii de incarcare a bateriilor direct pe automobile;
in ultimul caz, se pune problema timpului de incarcare, acesta fiind de
ordinal orelor pentru o incarcare completa normala (doar pentru incarcari
partiale, el poate fi redus la ordinal minutelor-zecilor de minute);
sunt necesare investitii initiale mari, daca productia automobilelor este de
serie mica.
Bateriile de acumulatoare cu energii mari si , mai ales, pilele electrice
de combustie
ofera, insa, noi posibilitati, justificand o reevaluare promitatoare a
fezabilitatii vehiculelor electrice rutiere.
In urmatoarea figura este prezentata schema bloc a unui automobil
electric:
10
Schema bloc a unui automobil electric, avand ca sursa o baterie de
acumulatoare
Sistemul de actionare a unui automobil electric trebuie sa satisfaca o
serie de cerinte, cele mai importante fiind prezentate mai jos:
Pentru o baterie data, autonomia automobilului creste 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 inaintare a automobilului);
reducerea pierderilor din sistemul de actionare implica utilizarea unor
sisteme de comanda si motoare electrice de tractiune cu randamente
ridicate: masa sistemului de actionare poate 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).
11
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 san u necesite - pe cat
posibil – intretinere, pe durata de viata a automobilului (150000-200000
km).
Sistemul de actionare trebuie sa fie fiabil, foarte rezistent la socuri si
la vibratii
12
3. Modele de automobile electrice
3.1. Primul exemplu de automobil electric prezentat va fi unul
modificat dintr-un vehicul de serie (Chevrolet Geo Prism 1994), propulsat de
un motor cu combustie interna (pe benzina).
Acest vehicul este detinut de catre Jon Mauney.
Modificarile care au dus la transformarea intr-un automobil electric:
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 functionand
numai in treapa a II-a de viteza;
Motorul de curent alternativ este comandat prin intermediul
unui invertor (P=50 kW, Uin=300 V cc, Uies=240 V ca,
trifazat);
13
Bateriile au fost asezate pe podeaua automobilului;
50 de baterii de 12 V plumb-acid conectate in serie cate 25
pentru a avea Uin=300 V cc;
Au fost adaugate motoare electrice pentru: pompa de apa,
servodirectie, aer conditionat;
Schimbatoruld e viteze de la transmisia manuala a fost inlocuit
cu un comutator, deghizat intr-un schimbator automat pentru
controlul mersului inainte si inapoi;
14
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 faptul
ca are 2 sisteme de incarcare: unul normal de 120 V / 240 V si
unul cu incarcare de la paleta magnetica inductiva;
15
Indicatorul de carburant a fost inlocuit de un voltmetru;
16
Specificatiile tehnice ale autovehiculului construit:
- 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 autovehicul electric si
unul pe carburant, iata un exemplu: energia electrica in Carolina de Nord
este 8 centi/kWh pe timpul zilei si 4 centi/kWh pe timpul noptii. Inseamna
ca pentru o reincarcare completa costul este de 1 $ ziua si 50 centi noaptea.
Pretul carburantului este de 1,2 $ pe galon si masina merge 30 de mile cu un
galon, atunci costul pe o mila este de 4 centi.
In dezavantajul autovehiculului electric sta costul ridica al bateriilor
(aproximativ 2000 $). Durata de viata a bateriilor este de 20000 de mile,
ceea ce inseamna 10 centi pe mila.
17
3.2. Al doilea tip de autovehicul electric se numeste Tesla Roadster,
este produs de Tesla Motors.
Cat de rapida este?
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 foarte buna.Nu
conteaza in ce treapta de viteza te afli, acceleratia este mereu instantanee.
Care este autonomia unui autovehicul Tesla Roadster?
Distanta depinde de stilul si conditiile de mers. In general este in jur
de 400 km pe o incarcare (mers combinat: oras + autostrada).
18
Care sunt avantajele conducerii unei masini electrice?
Reducerea dependentei de combustibil, zero emisii noxe, si un cost de
mai putin de 2 centi pe o mila condusa. Multe zone ofera locuri de
parcare speciale ca un privilegiu pentru automobilele electrice.
Cum functioneaza?
Un vehicul electric nu are o mecanica atat de complexa ca unul ce
foloseste motor cu ardere interna. De exemplu: motorul in 4 timpi al unui
automobil conventional are peste 100 de parti mobile, in comparatie motorul
de la Tesla Roadster are doar unul si anume rotorul. In concluzie, masina
transporta o greutate mai mica si are mai putine piese care se pot defecta 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, toba de esapament etc., toate aceste necesitand service. Toate
aceste componente nefiind necesare unui autovehicul electric.
Sistemul de stocare a energiei (ESS)
Atunci cand se doreste construirea unei masini electrice foarte
performante, cea mai mare provocare o reprezinta inca de la inceput,
bateriile. Complexitatea lor este clara: sunt grele, scumpe si ofera o putere
limitata. Are o calitate care eclipseaza toate aceste dezavantaje: e curat din
punct 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
19
usoare, durabile, reciclabile si sunt capabile sa dezvolte suficienta putere
pentru a accelera autovehiculul de la 0 – 100 km/h in 3,9 secunde.
Motor
Multor oameni le este greu sa creada ca Tesla Roadster invinge la
acceleratie un Lamborghini, fiind propulsat de un motor electric de marimea
unui pepene verde.
Mai important decat greutatea motorului este randamentul acestuia.
Motoarele construite de Tesla Motors au o eficienta de 85 – 95 %.
Transmisie
Tesla Roadster are doar 2 viteze si iti permite sa poti sa conduci dupa
bunul plac, indiferent daca folosesti treapta de viteza adecvata sau nu,
deasemenea nu exista pedala de ambreiaj. Odata cuplata in viteza din
schimbator, invertorul comanda motorul.
Sistemul Electronic de Comanda al motorului
Majoritatea subsistemelor instalate pe Tesla Roadster sutn in totalitate
comandate electronic sub supravegherea permanenta unui calculator de bord.
Toata partea de comanda este integrata intr-un DSP. El controleaza cuplul
motorului, reincarcare, franarea recuperativa si monitorizeaza tensiunea
furnizata de baterii, turatia motorului si temperatura.
20
4. Comparatie intre automobile electrice
ESCOMOTO
Specificatii tehnice:
Caroseria: Cadru din otel + fibra de sticlaTip tractiune: Tractiune roti fataSistem franare hidraulic pe disc pentru cele 4 rotiGreutate neta: 380kg (fara baterie)Viteza maxima: 70 km/h(poate fi restrictionata sub 40 km/h)Distanta de franare: < 6 mAutonomie: 120 kmTimp de incarcare: <= 10 hFrana de parcare: frana de mana pe rotile din spateControlul vitezei: Control prin pedala /automatMotor: 72V AC 6.5 kw (motor sincron trifazat fara perii)Sistem electric: 12V DCIncarcator: 72V 25A(CE)Comanda: 72VBaterie: 12V 120 AH * 6 plumb-acidTip baterie: baterie plumb-acid Greutatea bateriei: 200 kgViata bateriei: reincarcare pana la 500 de oriSistemul de suspensii: suspensie independenta pe cele 4 rotiSistem de directie: cu cremaliera
21
Tesla Roadster
Specificatii tehnice:
Stil: 2 locuri, decapotabila, tractiune spate;
Autonomie: 400 km;
Viteza maxima: 200 km/h;
Durata de viata a bateriilor: 100000 mile;
Timp de incarcare: 3,5 h;
Tip baterie: Litiu-Ion;
Acceleratie: 0 – 100 km/h sub 4 secunde;
Frane: pe disc cu ABS la fiecare roata;
Motor: trifazat, 4 poli, 185 kW, turatie maxima 13000 rpm, franare recuperativa;
Greutate totala: 1000 kg.
Pretul de baza: 98000 $
22
Honda EV +
Specificatii tehnice:
Motor: cc fara perii;
Putere: 49 kW;
Cuplu: 275 Nm;
Turatie maxima: 8750 rpm;
Tensiune: 288 V;
Nr. Locuri: 4;
Baterie: 12 V NiMH;
Nr. Baterii: 24;
Incarcator: Uin=110/220 V ca , Pies=1,1/4,2 kW;
Timp de incarcare: 6 – 8 h (220 V);
Transmisie: o singura viteza;
Autonomie: 200 km;
Acceleratie: 0 – 50 km/h in 4,9 secunde;
0 – 100 km/h in 17,7 secunde;
Viteza maxima: 140 km/h
23
Wrightspeed X1
Specificatii tehnice:
Motor: trifazat de ca;
Putere: 176 kW sau 236 CP;
Turatie maxima: 13300 rpm;
Greutate: 700 kg;
Transmisie: o singura treapta de viteza, fara ambreiaj;
Acceleratie: 0 – 100 km/h in 3 secunde;
Viteza maxima: 180 km/h (limitata electronic);
Autonomie: 160 km (in mediu urban);
Incarcator: Uin= 100 – 250 V la 50 sau 60 Hz si curentul ajustabil pana la 80 A;
Timp de incarcare: 1,25 h la un curent de 80 A.
24
Ventui Fetish
Specificatii tehnice:
Motor: trifazat de ca;
Putere: 180 kW;
Transmisie: o singura treapta de viteza, fara ambreiaj;
Acceleratie: 0 – 100 km/h in 3 secunde;
Viteza maxima: 160 km (limitata);
Autonomie: 250 km;
Durata de viata a bateriilor: peste 2000 de reincarcari;
Timp de reincarcare: 3 – 4 h;
Tipuri de franare: frane pe disc (ventilate pe fata si normale pe spate) si franare
recuperativa cu aportul energiei recuperate in baterii;
Greutatea bateriilor: 248 kg;
Greutatea totala: 980 kg;
25
Caroserie: fibra de carbon.
Tabel comparativ automobile electrice:
NumePutere[kW]
Tip motor
Acceleratie 0 – 100
km/h [s]
Viteza maxima [km/h]
Autonomie [km]
Timp de incarcare
[h]ESCOMOTO 6,5 Mcc - 70 120 < 10
HONDA EV+ 49 Mcc 17,7 140 200 6 – 8
Chevrolet Geo
Prism 1994 EV50 MAS 15 150 80 6 – 7
Tesla Roadster 185 MAS 3,9 200 400 3,5
Venturi Fetish 180 MAS 3 160 250 3 – 4
Wrightspeed X1 176 MAS 3 180 160 1,5
26
5. Parti componente. Descriere amanuntita.
Un autovehicul electric reprezinta combinatia dintre:
motor electric;
controler;
baterie.
5.1. Controler (chopper / invertor)
Un chopper conectat la baterii alimenteaza mai departe motorul
electric de curent continuu. Atunci cand pedala este apasata la maxim,
Chopperul furnizeaza la bornele motorului intreaga tensiune de 96 V
27
furnizata de baterii. Daca pedala nu este apasata deloc, atunci chopperul nu
comanda motorul, rezulta ca masina sta pe loc. Chopperul poate furniza
motorului o tensiune cuprinsa intre 0 – 96 V in functie de cat de mult este
apasata pedala de acceleratie.
Pedala de acceleratie este conectata la doua potentiometre, care traduc
miscarea de translatie a pedalei intr-un semnal variabil ce comanda
chopperul. Chopperul este cea mai mare componenta asezata sub capota unei
masini electrice, dupa cum se vede in poza urmatoare:
Semnalul dat de potentiometre spune chopper-ului cat de multa putere
sa furnizeze motorului electric. Sunt doua potentiometre din motive de
siguranta, chopper-ul citeste ambele potentiometre si se asigura ca ambele
dau acelasi semnal. Daca nu, chopper-ul nu functioneaza.
Majoritatea choppere-lor functioneaza la o frecventa de 15 kHz pentru
a nu fi auzite de urechea umana. Pulsurile in motor cauzeaza o vibratie a
28
motorului egala cu frecventa, iar o frecventa egala sau mai mare cu 15 kHz
insemnand o functionare silentioasa a masinii.
Daca autovehiculul este echipat cu un motor de curent alternativ, vom
folosi un invertor, iar schema bloc va arata ca in poza urmatoare:
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
evita situatia aparitiei unui scurt-circuit la bornele bateriei. La un invertor
avem nevoie 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.
29
5.2. Motorul electric
Un autovehicul electric poate fi echipat cu un motor 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 va avea o tensiune de
alimentare cuprinsa intre 240 – 300 V. De obicei sunt 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 instalat 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 furniza maxim 400 –
600 A). Acest tip de motoare pot si suprasolicitate pentru perioade scurte de
timp, fara sa se deterioreze. Aceasta caracteristica da autovehiculului
respectiv o acceleratie rapida.
Motoarele de curent alternativ sunt folosite aproape 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 incarca
bateriile prin intermediul invertorului, care poate functiona si ca redresor.
30
In urmatorul tabel vor fi prezentate diverse motoare de tractiune:
Tip motor Contacte alunecatoare
Cupluspecific[Nm/kg]
Cost Intretinere Randament Complexitate
schemacomanda
Motor de c.c cu
excitatie serie
DA scazut mediu DA scazut scazuta
Motor de c.c cu
excitatie separata
DA scazut mediu DA scazut scazuta
Motor de c.c cu
magneti permanenti
DA mediu ridicat DA mediu scazuta
Motor de c.a.
asincron
NU mediu scazut NU scazut ridicata
Motor de c.c fara
perii
NU ridicat ridicat NU ridicat scazuta
Motorul cu reluctanta
dublu variabila
NU ridicat scazut NU mediu medie
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 importante:
randamentul si dimensiunile (masa). In plus, nu are contacte alunecatoare,
implicand, deci, o intretinere foarte simpla.
31
De asemenea, el permite un reglaj foarte simplu al vitezei; invertorul
sau PWM este actualmente binecunoscut si in continuu progress 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 considerat in corelatie
cu celelalte costuri: al energiei consumate de automobil – mai scazuta
datorita randamentului mai ridicat si greutatii mai mici; al schemei de
comanda – relativ simpla; al intretinerii foarte putin pretentioase. In plus, se
intrevede o scadere in timp a costului magnetilor permanenti, ceea ce va
determina si o scadere a pretului motorului.
Transmiterea cuplului motor la roti
Una dintre cele mai importante probleme ale tractiunii bazate pe
aderenta o constituie modul de amplasare a motorului de tractiune pe vehicul
si de actionare a rotilor motoare, acesta trebuind sa asigure atat transmiterea
cuplului motor, cat si protejarea motorului de tractiune fata de socurile
primite de la calea de rulare. In plus, la vehiculele cu roti pneumatice,
transmiterea cuplului motor trebuie sa se faca astfel incat sa se asigure
independenta rotilor motoare, pentru a reduce uzura pneurilor.
Deseori, parametrii sistemului de transmisie si parametrii electrici si
mecanici ai motorului de tractiune se conditioneaza reciproc. La aceasta
contribuie si faptul ca, spre deosebire de actionarile stationare, gabaritele
care stau la dispozitie pe vehiculele electrice sunt restranse.
Actionarea rotilor motoare ale unui automobil electric poate fi:
individuala, la care fiecare roata motoare este actionata de cate un
motor;
32
colectiva, la care un motor actioneaza un grup de roti.
Solutia clasica de actionare a automobilelor electrice (utilizata si la
automobilele cu motoare termice) este aceea a actionarii collective. Pentru
ca, o data cu transmiterea cuplului de la motor la roti, sa se asigure si
independenta rotilor, in acest caz, este necesara utilizarea unui diferential
mecanic, existand diverse solutii pentru realizarea acestuia. In figura
urmatoare este prezentata una dintre cele mai simple solutii.
Principiul constructiv al unui diferential mecanic:
M - motor de tractiune; PN – pinion; RD – roata dintata;
CD – “carcasa” diferentialului; P – planetare; S – sateliti; RM – roti
motoare.
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 format din pinionul
PN – fixat pe arborele lui M – si roata dintata RD – fixate pe CD (pentru
simplitate, s-a considerat ca reductorul are o singura treapta, cu roti dintate
cilindrice). In continuare, cuplul transmis planetarelor (si, implicit, rotilor
automobilului, rigidizate pe axele corespunzatoare ale planetarelor) prin
intermediul satelitilor, acestia din urma putandu-se, eventual, roti in jurul
33
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 introduse de
diferential;
diferentialul contribuie la cresterea greutatii automobilului;
diferentialul are un cost relativ ridicat si necesita o intretinere
suplimentara.
Pentru inlaturarea acestor dezavantaje, la automobilele electrice
moderne se utilizeaza
actionarea individuala, fiecare roata motoare avand motorul sau.
In acest caz, al actionarii individuale, cuplul poate fi transmis rotilor
motoare in doua moduri:
direct;
prin angrenaje.
La transmiterea directa, rotorul motorului este solidar (eventual, prin
intermediul unei
transmisii cardanice – permite deplasarea relativa pe verticala intre anumite
limite a rotilor fata de cadrul automoblilului -) 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 fie inferioara
turatiei motorului (raportul de transmisie it>1).
34
Transmiterea cuplului de la motorul de tractiune la roti:
a) directa; b) prin angrenaj.
M – motor; RM – roata motoare; R – reductor.
Cu toate ca transmiterea directa a cuplului este mai simpla, ea nu este
folosita decat in cazuri foarte rare – cand simplitatea constructiei este
hotaratoare - , avand urmatoarele dezavantaje esentiala:
demontarea motorului pentru revizii necesita scoaterea rotii motoare;
vitezele uzuale, relativ reduse, de circulatie implica motoare cu turatii
reduse; acestea au, la o putere data, gabarite si greutati mai mari decat
motoarele cu turatii ridicate; la motoarele electrice uzuale, din
considerente de gabarit si de utilizare economica a materialelor active
(cupru, fier), viteza periferica a rotorului trebuie sa fie mai mare de
cca 50 m/s; constructive, sa fie cel mult 70% din diametrul rotii;
admitand viteza periferica a rotorului 50 m/s, rezulta ca viteza
vehiculului trebuie sa fie egala cu cel putin (50/0,7) m/s=71 m/s=266
km/h, pentru ca motorul sa fie bine utilizat.
5.3. Baterii
Dupa cum se stie alimentarea motoarelor de tractiune ale
automobilelor electrice se face, uzual, de la baterii electrice, care in esenta
35
sunt formate prin formarea, in diverse conexiuni a mai multor elemente –
surse electrochimice. Sursele electrochimice convertesc energia chimica in
energie electrica.
Veriga slaba intr-un autovehicul electric o reprezinta 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 (aporximativ 10 h);
au o durata de viata relativ scurta (3 – 4 ani, sau 200 de reincarcari);
sunt destul de scumpe (aproximativ 2000 $).
Bateriile plumb-acid pot fi inlocuite cu cele NiMH (nichel hidruri
metalice). Autonomia autovehiculului se va dubla, iar bateriile au o durata
de viata de aproximativ 10 ani, dar costul bateriilor este de 10 – 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
diferita asupra folosirii benzinei si anume: la 7,5 litri de benzina ceea ce
inseamna o greutate de 7 kg, costa 3 dolari si dureaza 30 de secunde pentru a
o introduce in rezervor; 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 asupra
dezvoltarii pilelor de combustie. Acestea sunt mult mai mici, mai usoare,
36
poluare chimica redusa, randament energetic ridicat (60%), densitate masica
a energiei ridicata si se reincarca foarte rapid. Este evident ca autovehiculele
viitorului vor folosi motorul electric pentru tractiune, iar energia electrica
necesara va fi produsa de catre pilele de combustie.
5.3.1. Tipuri de baterii
acumulatori plumb-acid;
Caracteristi teoretice:
- tensiunea unei celule : 2,1 V;
- densitatea de energie : masica 161 Wh/kg; volumica 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 periodic. Pentru
evitarea sulfatarii electrozilor, acumulatoarele trebuie reincarcate imediat
dupa descarcarea lor. De asemenea, are loc o autodescarcare (descarcare fara
a avea conectata o sarcina) a acumulatoarelor, ceea ce impune reincarcarea
lor dupa perioade mari de neutilizare. Rezulta necesitatea unei intretineri
pretentioase a acestor acumulatoare.
Tehnologiile moderne permit realizarea acumulatoarelor cu plumb-
acid in asa numita varianta “fara intretinere”. In acest caz acumulatoarele
sunt capsulate, au o constructie adecvata a electrozilor, iar electrolitul este
“solidificat”, fie fixat intr-un gel, fie absorbit in materiale poroase de tip
“vata”. La aceste acumulatoare, pierderile de apa sunt neglijabile,
37
autodescarcarea este foarte redusa (circa 35 % din capacitatea nominala,
dupa 12 luni), iar sensibilitatea lor la descarcari ocazionale outernice, la
vibratii si la temperaturi joase este mult scazuta. Desi folosesc electrozi
solidificati, densitatea de energie mai ales la descarcari rapide si temperaturi
scazute este mai mare decat a acumulatoarelor uzuale. Desigur 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 disponibil in cantitati
mari;
- se poate realiza in varianta “fara intretinere”;
- exista productie in serie;
- la iesirea lor din functiune, plumbul din electrozi poate fi usor
reciclat.
Dezavantaje:
- au densitate redusa a energiei, ceea ce implica greutati si volume
mari;
- puterea lor scade odata cu descarcarea;
- capacitatea si energia lor scad, la temperaturi scazute;
- 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;
38
- densitatea de energie : masica 209 Wh/kg; volumica 693 Wh/l.
Dintre celelalte tipuri de acumulatoare, perspectiva de a fi utilizate in
tractiune, datorita energiilor lor specifice ridicate, o au cele cu sodiu-sulf
(Na-S), precum si cele bazate pe litiu (Li). Pentru a obtine o conductivitate
suficienta a electrolitului solid este necesara o temperatura ridicata (intre 300
– 400 oC; uzual 330 oC). Functionarea la o astfel de temperatura necesita o
izolare termica compacta si eficienta. De regula se foloseste o izolatie
termica vacuumata care acopera complet celulele acumulatorului, lasandu-se
doar locuri pentru realizarea conexiunilor electrice. In incinta termica se
instaleaza 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 scazute;
- ofera posibilitatea reincarcarii rapide (se pot realiza incarcari cu
curenti de pana la 10 In);
- nu necesita intretinere (acumulatoare capsulate);
- exista productie in serie.
Dezavantaje:
- sunt scumpe (datorita costului ridicat al cadmiului);
- pun probleme ecologice, cadmiul fiind toxic;
- incarcarea lor pune probleme la temperaturi ridicate;
acumulatori Na-S;
Caracteristi teoretice:
- tensiunea unei celule : 2,1 V;
39
- densitatea de energie : masica 792 Wh/kg; volumica 1196 Wh/l.
Principalele obstacole in utilizarea acestor baterii pe automobilele
electrice sunt: numarul redus de cicluri incarcare – descarcare si puterea
specifica scazuta la functionarea continua.
Tabel comparativ pentru baterii
Sistem
Densitate de energie
Wh/kg Wh/l
Putere specifica
W/kg
Nr. de cicluri de incarca -
descarcare
Disponibilitate industriala
Pb-acid 31 – 40 75 – 90 90 – 125 600 – 1000 DaNi-Cd 45 – 58 80 – 95 190 2000 DaNiMH 55 – 60 100 – 130 175 * NuNi-Fe 50 – 60 80 – 95 110 1000 – 1500 NuNa-S 80 – 100 110 – 135 100 – 120 500 Nu
Li 80 – 120 100 – 120 70 >200 Nu
40
5.3.2 Utilizarea ultracondensatoarelor
Conectand in paralel cu bateria de acumulatoare condensatoare cu
capacitati ridicate (actualmente se realizeaza condensatoare cu dimensiuni
rezonabile, avand capacitati de ordinul a 600 F, la 3 V), acestea din urma
pot asigura energiile necesare in cazul pornirilor vehiculului sau al altor
suprasarcini, menajand, astfel, bateria de acumulatoare si asigurand o
autonomie mai ridicata a autovehiculului.
41
6. Concluzii
Avantaje si dezavantaje ale folosirii autovehiculelor electrice in locul
autovehiculelor cu motoare clasice cu combustie interna.
Avantaje:
- au un cost de exploatare aproape gratuit (circa 1 euro/100km);
- se pot conduce usor, (unele nu au comenzi cu pedale pot fi utilizate
si de catre anumite persoane cu handicap fizic);
42
- intretinere simpla, usor de manevrat in parcare si de incarcat
bateriile;
- nu fac zgomot si nu emana fum, oxid de carbon, metale grele si
alte noxe daunatoare mediului si vietii;
- nu consuma suplimentar la stationarea temporara -in trafic- la
semafoare, etc;
- posibilitatea de utilizare a unor sisteme de actionare sofisticate,
oferite de cele mai moderne realizari in domeniul actionarilor
electrice;
- posibilitatea realizarii comode a sistemelor de franare antiblocante,
prin utilizarea franarii electrice; daca franrea este recuperative, se
face si o importanta economie de energie;
- posibilitatea de actionare individuala a rotilor (eventual, prin
inglobarea motoarelor de tractiune in roti, realizand asanumitele
motoroti); aceasta conduce la simplificarea sistemelor de
transmisie, cea mai importanta fiind eliminarea diferentialului
mecanic;
- au cuplu constant la variatii ale turatiei in limite mari.
Dezavantaje:
- principalul dezavantaj este acela al autonomiei reduse;
- 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 incarcare –
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
43
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 existente-, fie cu instalatii de
incarcare a bateriilor direct pe automobile; in ultimul caz, se pune
problema timpului de incarcare, acesta fiind de ordinal orelor
pentru o incarcare completa normala (doar pentru incarcari
partiale, el poate fi redus la ordinal minutelor-zecilor de minute);
- sunt necesare investitii initiale mari, daca productia automobilelor
este de serie mica.
7. Bibliografie
1. http://ro.wikipedia.org
2. www.venturifetish.fr
3. www.teslamotors.com
4. www.wrightspeed.com
5. http://www.econogics.com/ev/evhistry.htm
6. http://www.newton.mec.edu
44
7. http://www.dassault.fr
8. http://sloan.stanford.edu
9. http://mikes.railhistory.railfan.net
10. http://inventors.about.com
11. www.youtube.com
45