1

VII. Vehicule electrice hibride Vehiculele propulsate cu motoare termice (convenţionale) au performanţe dinamice bune şi rază de acţiune mare datorită utilizării carburanţilor fosili lichizi care au energie specifică mare. Însă aceste tipuri de vehicule au ca dezavantaje consumul crescut de combustibil şi un grad mare de poluare a mediului înconjurător. Principalele cauze ale consumului crescut de combustibil sunt: • caracteristicile de consum minim ale motorului termic diferite de cele ale cerinţelor

normale de funcţionare; • disiparea energiei cinetice a vehiculului în regimurile de decelerare, mai ales în

deplasările urbane. Vehiculele propulsate cu motoare electrice alimentate de la baterii electrochimice (electrice) au, pe de altă parte, unele avantaje în raport cu cele convenţionale cum ar fi randament ridicat în conversia „rezervor→ şosea” şi grad de poluare nul. Însă performanţele dinamice, dar mai ales raza de acţiune, sunt cu mult mai mici decât ale vehiculelor convenţionale, datorită energiei specifice mici a bateriilor în raport cu cea a combustibililor fosili lichizi. Unul din motivele pentru dezvoltarea vehiculelor hibride este posibilitatea de-a combina avantajele vehiculelor electrice, în principal gradul nul de poluare, cu cele ale vehiculelor convenţionale adică energia specifică mare a combustibililor fosili lichizi. Prin posibilităţile pe care le au, vehiculele hibride pot îmbunătăţi consumul de combustibil al vehiculelor convenţionale. În principiu, scăderea consumului de combustibil se poate realiza datorită următoarelor cauze: • subdimensionarea motorului termic cu satisfacerea necesarului de putere pentru întrunirea

cerinţelor de manevrabilitate; • recuperarea unei părţi din energia de decelerare în locul disipării ei în sistemul hidraulic de

frânare; • optimizarea distribuţiei de energie între sursele propulsoare; • eliminarea consumurilor de combustibil, datorate pierderilor de mers în gol, prin oprirea

motorului termic atunci când nu sunt cerinţe de putere de propulsie (porniri-opriri); • eliminarea pierderilor din ambreiaj prin utilizarea motorului termic numai atunci când

viteza sa este adaptată la viteza vehiculului. Aceste posibile îmbunătăţiri sunt însă parţial contracarate de faptul că un vehicul hibrid este cu aproximativ 10÷30% mai greu decât un vehicul convenţional. VII.1. Conceptul de tren de acţionare electric hibrid În principiu, orice tren de putere (propulsor şi linie de acţionare) al unui vehicul trebuie să satisfacă următoarele cerinţe: • să dezvolte suficientă putere pentru a satisface cerinţele de manevrabilitate ale

vehiculului; • să dispună de suficientă energie la bord pentru a asigura o anumită rază de acţiune; • să aibă un randament de conversie ridicat; • să aibă un grad de poluare cât mai scăzut.

Un vehicul poate avea mai mult decât o sursă de energie şi un convertor de energie (sursă de putere), adică: - un sistem de propulsie cu motor termic alimentat de la combustibili fosili lichizi; - un sistem de propulsie cu motor electric alimentat de la pile de combustie cu hidrogen; - un sistem de propulsie cu motor electric alimentat de la baterii electrochimic - .... Definiţie. Un vehicul care are două sau mai multe surse de energie şi surse de putere se numeşte vehicul hibrid.

2

În general, un vehicul hibrid nu are mai mult de două trenuri de putere, configuraţie care ar complica sistemul. Pentru scopul recuperării unei părţi din energia de frânare, care este disipată sub formă de căldură în vehiculele convenţionale, în trenurile de putere hibride există de obicei un tren de putere electric bidirecţional (o sursă de energie electrică bidirecţională şi un convertor de energie bidirecţional). Cealaltă sursă de energie poate fi fie bidirecţională, fie unidirecţională. Definiţie. Un vehicul hibrid care are un tren de putere electric (sursă de energie electrică – sursă de putere electrică) se numeşte vehicul electric hibrid. În fig.1. se prezintă conceptul de tren de putere hibrid şi posibilele căi de circulaţie a fluxului de putere.

Fig.1.Ilustrarea conceptului de tren de putere hibrid Trenul de putere al vehiculului hibrid este compus dintr-un tren de putere primar (1) (unidirecţional) şi un tren de putere secundar (2) (bidirecţional). Există mai multe moduri de combinare a fluxurilor de putere pentru a satisface cerinţele de sarcină ale căii de rulare după cum urmează: I. Trenul de putere (1) furnizează singur puterea necesară pentru propulsie (necesară compensării sarcinii). II. Trenul de putere (2) furnizează singur puterea necesară pentru propulsie. III. Ambele trenuri de putere furnizează simultan puterea necesară pentru propulsie. IV. Trenul de putere (2) recuperează o parte din energia cinetică a vehiculului în regim de decelerare. V. Trenul de putere (2) obţine energie de la trenul de putere (1). VI. Trenul de putere (2) obţine energie simultan de la trenul de putere (1) şi de la calea de rulare (în regim de decelerare). VII. Trenul de putere (1) furnizează simultan putere pentru propulsie şi pentru înmagazinare de energie prin trenul de propulsie (2). VIII. Trenul de putere (1) furnizează energie trenului de putere (2) iar acesta furnizează puterea de propulsie. IX. Trenul de putere (1) furnizează puterea necesară propulsiei iar trenul de propulsie (2) preia energie de la calea de rulare. În cazul unei hibridizări cu un motor termic alimentat cu combustibili fosili lichizi (trenul de putere (1)) şi o maşină electrică alimentată de la baterii electrochimice (trenul de putere (2)), pentru modul I, motorul termic propulsează singur vehiculul electric hibrid. Acest mod poate fi utilizat atunci când bateriile electrochimice sunt aproape complet descărcate iar motorul termic nu mai are putere suplimentară pentru a încărca bateriile sau când bateriile au fost complet încărcate iar motorul termic este în măsură să furnizeze suficientă putere pentru a satisface cerinţele de putere ale vehiculului.

3

Modul II este modul de propulsie pur electric, în care motorul termic este oprit. Acest mod poate fi utilizat în situaţiile când motorul termic nu poate funcţiona cu randament crescut, cum ar fi viteze de rotaţie foarte mici, sau în zonele unde emisiile de noxe sunt strict interzise. Modul III este modul de propulsie hibrid şi poate fi utilizat atunci când este necesară o putere de propulsie mare, cum ar fi în timpul acceleraţiilor mari sau la urcarea unor pante abrupte. Modul IV este modul de frânare cu recuperare, în care o parte din energia cinetică sau potenţială a vehiculului este recuperată cu ajutorul maşinii electrice care funcţionează în regim de generator. Energia recuperată este înmagazinată în bateriile electrochimice şi utilizată ulterior. Modul V este modul în care motorul termic încarcă bateriile atunci când vehiculul staţionează, decelerează liber sau coboară o pantă uşoară, adică regimuri în care nu este necesară furnizarea sau recuperarea de energie la/de la calea de rulare. Modul VI este modul în care bateriile sunt încărcate cu energie atât de la motorul termic cât şi de la calea de rulare prin recuperare de energie. Modul VII este modul în care motorul termic furnizează puterea de propulsie a vehiculului şi simultan încarcă şi pachetul de baterii electrochimice. Modul VIII este modul în care motorul termic încarcă bateriile electrochimice iar bateriile furnizează energie către calea de rulare (în scopul propulsiei vehiculului). Modul IX este modul în care puterea este transferată de la motorul termic spre baterii prin structura de rezistenţă a vehiculului. Configuraţia tipică a acestui mod este cea cu două trenuri de putere complet separate şi montate pe câte o punte a vehiculului (punte faţă şi punte spate). Aceste moduri diverse de funcţionare dintr-un vehicul electric hibrid creează o flexibilitate mult mai mare faţă de cea a unui vehicul având un singur tren de putere. Cu o configuraţie adecvată şi un control corespunzător, utilizarea unui anumit mod specific pentru fiecare condiţie specială de funcţionare poate conduce la obţinerea de performanţe dinamice, de consum şi grad de poluare optime. Însă în practică stabilirea modurilor de funcţionare care trebuie implementate depinde de mulţi factori cum ar fi configuraţia fizică a trenului hibrid de putere, caracteristicile de randament ale acestuia, caracteristicile căii de rulare etc. Funcţionarea fiecărui tren de putere în regiunile lui de randament maxim este esenţială pentru randamentul global al vehiculului. Un motor termic, în general, are regiunea optimă de funcţionare în regim de încărcare nominală (plină admisie). Funcţionarea într-o zonă îndepărtată de această regiune (subîncărcare) va afecta randamentul şi implicit consumul de combustibil. Pe de altă parte, afectarea randamentului unui motor electric funcţionând la sarcini subnominale nu este atât de pronunţată ca în cazul unui motor termic. În funcţionarea reală, puterea de sarcină necesară la calea de rulare variază aleator datorită accelerărilor şi decelerărilor frecvente, urcării şi coborârii unor pante mici etc (fig.2).

Fig.2. Variaţia aleatoare a puterii necesară la calea de rulare În fapt, această putere este compusă din două componente: o componentă de regim staţionar, având o valoare medie constantă, şi o componentă de regim tranzitoriu, de valoare medie nulă. În strategia de control a unui vehicul electric hibrid, pentru furnizarea puterii de valoare constantă (de regim staţionar) se utilizează trenul de putere care este favorizat de

4

funcţionarea în regim stabilizat, cum este cazul motorului termic. Pe de altă parte, celălalt tren de putere, cum este cel electric, poate fi utilizat pentru furnizarea puterii de regim dinamic (puterea dinamică). Energia totală furnizată de trenul de putere dinamică va fi nulă într-un ciclu de trafic, ceea ce înseamnă că sursa de energie a trenului de putere dinamică nu pierde energia înmagazinată pe un ciclu de trafic. În acest caz trenul de putere dinamică funcţionează numai ca amortizor de putere. Într-un vehicul electric hibrid, puterea de regim staţionar poate fi furnizată cu un motor termic mult mai mic în raport cu cel care propulsează un vehicul convenţional deoarece puterea dinamică este luată de la trenul de putere dinamică. În acest caz se poate funcţiona în regiunea de randament maxim. Puterea dinamică poate fi furnizată de un motor electric alimentat de la baterii electrochimice, supercondensatoare, baterii mecanice (volanţi) sau combinaţii ale acestor surse. VII.2. Arhitecturi ale trenurilor de acţionare hibride Arhitectura unui vehicul hibrid este, în general, definită ca fiind legătura dintre componentele care stabilesc căile fluxului energetic şi intrările de control. În mod tradiţional vehiculele electrice hibride au fost clasificate în două tipuri de bază: serie şi paralel. Există însă unele arhitecturi de vehicule electrice hibride care nu pot fi clasificate în aceste tipuri. De aceea o clasificare modernă a vehiculelor electrice hibride se face în 4 tipuri (fig.3): - vehicul electric hibrid serie; - vehicul electric hibrid paralel; - vehicul electric hibrid serie-paralel; - vehicul electric hibrid complex.

Fig.3. Clasificarea vehiculelor electrice hibride Se observă că motorul termic, alimentat cu combustibil fosil lichid, este utilizat ca sursă primară de putere (putere de regim staţionar) iar motorul electric alimentat de la baterii electrochimice este utilizat ca sursă secundară de putere (putere de regim dinamic).

Trenurile de acţionare ale unui vehicul electric hibrid serie Un tren de acţionare al unui vehicul electric hibrid serie este un tren de acţionare unde două surse de energie alimentează un singur motor de tracţiune (maşină electrică) care propulsează vehiculul. Cel mai întâlnit tren de acţionare serie este cel prezentat în fig.4. Sursa

5

de energie unidirecţională este rezervorul de combustibil fosil lichid iar convertorul unidirecţional de energie este un motor termic cuplat cu un generator electric.

Fig.4. Configuraţia unui tren de acţionare hibrid serie Ieşirea generatorului electric este conectată la o magistrală de putere electrică prin intermediul unui convertor static de putere (redresor). Sursa bidirecţională de energie este constituită dintr-un pachet de baterii electrochimice, conectat la magistrala de putere electrică prin intermediul unui convertor static c.c.-c.c. ridicător/coborâtor de tensiune. Magistrala electrică de putere este, de asemenea, conectată la un convertor static de putere (invertor) care controlează maşina electrică de tracţiune. Maşina poate fi controlată să funcţioneze fie în regim de motor (tracţiune) fie în regim de generator (frână). Acest tren de acţionare poate fi prevăzut şi cu un sistem de încărcare a bateriilor de la o reţea exterioară de tensiune. Un tren de acţionare hibrid serie poate avea următoarele moduri de funcţionare: I. Modul pur electric. Motorul termic este oprit iar vehiculul este propulsat numai pe baterii. II. Modul pur termic. Puterea de tracţiune a vehiculului provine de la grupul motor termic – generator, în timp ce bateriile nici nu furnizează dar nici nu absorb energie din trenul de acţionare. Maşinile electrice (generator – motor de tracţiune) sunt folosite pentru a realiza o transmisie electrică de la motorul termic la roţile motoare. III. Modul hibrid. Puterea de tracţiune este obţinută atât de la grupul motor termic – generator cât şi de la baterii. IV. Modul de propulsie termică şi încărcare de baterii. Grupul motor termic-generator furnizează puterea necesară propulsării vehiculului dar şi încărcării pachetului de baterii. V. Modul de frânare cu recuperare. Grupul motor termic – generator este oprit iar motorul de tracţiune (maşina electrică) funcţionează în regim de generator. Energia recuperată este înmagazinată în pachetul de baterii. VI. Modul de încărcare a bateriilor. Motorul de tracţiune nu primeşte putere iar grupul motor termic – generator încarcă pachetul de baterii. VII. Modul hibrid de încărcare a bateriilor. Atât grupul motor termic – generator cât şi motorul de tracţiune (funcţionând în regim de generator) încarcă pachetul de baterii. Trenurile de acţionare ale vehiculelor electrice hibride serie oferă câteva avantaje: 1. Motorul termic este complet decuplat de la roţile motoare. De aceea el poate funcţiona în orice punct de funcţionare de pe caracteristica viteză-cuplu şi, teoretic, poate funcţiona numai în regiunea de randament maxim. Randamentul şi emisiile de noxe ale motorului termic pot fi mai mult îmbunătăţite printr-o proiectare eficientă şi un control optimal pentru o regiune

6

îngustă. O astfel de regiune îngustă permite o îmbunătăţire mult mai mare decât o funcţionare optimală într-o plajă largă de valori. Mai mult, decuplarea mecanică a motorului termic de roţile motoare permite utilizarea unui motor termic de turaţie mare (şi cuplu mic). 2. Deoarece motoarele electrice au o caracteristică cuplu-viteză aproape ideală ele nu necesită transmisii cu trepte multiple de viteze. În acest fel construcţia se simplifică foarte mult iar costurile de producţie scad corespunzător. Mai mult, în loc să fie utilizat un singur motor de tracţiune cu un grup conic şi diferenţial (final drive) se pot utiliza două motoare electrice care să acţioneze individual câte o roată. Această configuraţie permite o decuplare mecanică între roţi ca şi un diferenţial mecanic dar acţionează, de asemenea, şi ca un diferenţial de limitare a patinării în scop de control al tracţiunii. De asemenea se poate realiza o acţionare pe fiecare din cele patru roţi (4x4) fără utilizarea de arbori de transmisie şi diferenţiale mecanice. 3. Datorită decuplării mecanice dintre roţile motoare şi motorul termic se pot utiliza strategii simple de control. Pe de altă parte, trenurile de acţionare ale unui vehicul electric hibrid serie au şi câteva dezavantaje: 1. Energia mecanică obţinută de la motorul termic este convertită de două ori (energie mecanică în energie electrică de către generatorul electric şi energie electrică în energie mecanică de către motorul de tracţiune). În acest fel randamentul de ansamblu al trenului de putere poate scădea semnificativ. 2. Generatorul utilizat creşte masa şi costurile arhitecturii. 3. Motorul de tracţiune trebuie să fie dimensionat pentru a satisface toate cerinţele maxime de performanţă deoarece el este singura sursă de propulsie a vehiculului.

Trenurile de acţionare ale unui vehicul electric hibrid paralel Un tren de acţionare hibrid paralel este un tren de acţionare în care motorul termic furnizează puterea sa mecanică la roţile motoare ca într-un vehicul convenţional. El este asistat de un motor electric care este cuplat mecanic la transmisie. Puterile de la motorul termic şi motorul electric sunt cuplate împreună prin cuplaj mecanic (fig.5).

Fig.5. Configuraţia unui tren de acţionare hibrid paralel Combinarea mecanică a puterii motorului termic şi motorului electric permite diverse configuraţii. Se pot astfel obţine cuplări mecanice de puteri prin dispozitive de sumare a cuplurilor celor două trenuri de acţionare, prin dispozitive de sumare a vitezelor sau prin dispozitive de sumare a puterilor (cupluri şi viteze).

7

Configuraţii de trenuri de acţionare hibride cu dispozitive de sumare a cuplurilor

Dispozitivele de sumare a cuplurilor adună ponderat cuplul motorului termic cu cel al motorului electric. Fig. 6 prezintă conceptual un dispozitiv mecanic de sumare ponderată a cuplurilor. Una din întrările dispozitivului reprezintă puterea mecanică a motorului termic iar cealaltă reprezintă puterea mecanică a motorului electric. Ieşirea dispozitivului este cuplată la linia de acţionare care include şi cutia de viteze.

Fig.6. Dispozitiv de sumare ponderată a cuplurilor Dacă se neglijează pierderile dispozitivului de cuplare atunci bilanţul de puteri este de forma: (1) 2in2in1in1in2in1inoutoutout TTPPTP ω+ω=+=ω= Pe de altă parte, dispozitivul asigură la ieşire un cuplu de forma: (2) 2in21in1out TkTkT += unde k1 şi k2 sunt constante determinate de parametrii dispozitivului de sumare a cuplurilor. În fig.7 se prezintă dispozitive de sumare ponderată a cuplurilor, dispozitive caracterizate prin doi arbori de intrare şi un arbore de ieşire.

Fig.7. Dispozitive de sumare ponderată a cuplurilor

Considerând relaţiile (1) şi (2) atunci se pot obţine relaţiile pentru viteza de rotaţie a arborelui de ieşire care, evident, nu mai este o mărime independentă:

(3) 2in2in1in1in2in2in2in

out21in1in

1in

out1out2in21in1outoutout TTTkTk)TkTk(TP ω+ω=ω

ωω

+ωωω

=ω+=ω=

Din ecuaţia (3) se obţin condiţiile:

(4) 1kk

2in

out2

1in

out1 =ωω

=ωω

sau

(5) 2

2in

1

1inout kk

ω=

ω=ω

Constantele k1 şi k2 influenţează caracteristicile de tracţiune ale vehiculului. De aceea alegerea optimă a lor va depinde de cerinţele de tracţiune ale vehiculului, dimensiunile şi caracteristicile motorului termic precum şi de dimensiunile şi caracteristicile motorului electric. Fig. 8 prezintă o configuraţie hibrid paralelă cu dispozitiv de sumare ponderată a cuplurilor celor două trenuri de acţionare unde sunt utilizate două cutii de viteze: una este plasată între motorul termic şi dispozitiv iar cea de-a doua este plasată între motorul electric şi dispozitiv.

8

Fig.8. Configuraţie hibrid-paralele cu două cutii de viteze Ambele cutii pot fi cu o singură treaptă sau cu trepte multiple de viteze. Performanţele şi randamentul global al trenului de acţionare pot fi superioare în raport cu alte configuraţii deoarece un sistem de propulsie cu mai multe grade de libertate, asigurate de cele două cutii de viteze, oferă mai multe posibilităţi atât pentru motorul electric şi pachetul de baterii cât şi pentru motorul termic pentru a funcţiona în regimurile optime proprii. Însă un sistem cu două cutii de viteze cu trepte multiple va complica semnificativ trenul de acţionare hibrid. De aceea se poate utiliza o cutie de viteze cu o singură treaptă pentru trenul de acţionare electric şi una cu mai multe trepte de viteze pentru motorul termic. O altă configuraţie de tren de acţionare paralel este prezentată în fig.9, unde cutia de viteze comună este situată după dispozitivul de sumare a cuplurilor.

Fig.9. Configuraţie hibrid-paralele cu o singură cutiei de viteze Cutia de viteze realizează o adaptare comună (cu acelaşi raport de transmisie) a cuplului de ieşire a dispozitivului de sumare. Însă alegerea adecvată a constantelor k1 şi k2 din dispozitivul de sumare permite motorului electric să aibă o gamă de viteze de funcţionare diferită de cea a motorului termic; de aceea se poate utiliza un motor electric de viteză mare. Această configuraţie este adecvată atunci când se utilizează un motor termic relativ mic împreună cu un motor electric, cutia de viteze cu mai multe trepte fiind necesară îmbunătăţirii efortului de tracţiune la viteze mici de deplasare a vehiculului. Sumarea cuplurilor se poate realiza şi cu un dispozitiv de cuplare cu un singur arbore de intrare şi un singur arbore de ieşire (fig.10).

9

Fig.10. Dispozitive de sumare la arbore a cuplurilor În acest caz motorul termic, motorul electric şi cutia de viteze sunt aşezate coliniar pe aceeaşi axă (fig.11).

Fig.11. Configuraţie hibrid-paralele cu o singură axă şi pretransmisie O transmisie poate fi plasată fie după motorul electric, care este conectat cu motorul termic printr-un ambreiaj, fie între motorul electric şi motorul termic. Prima configuraţie (fig.11) este referită drept pretransmisie (motorul electric este înaintea cutiei de viteze) iar cea de-a doua configuraţie este referită drept posttransmisie (motorul electric este după cutia de viteze). În configuraţia cu pretransmisie, atât cuplul motorului electric cât şi cel al motorului termic sunt modificate de cutia de viteze. Această configuraţie este uzual folosită în cazul utilizării unui motor electric mic când trenul de acţionare hibrid paralel se numeşte tren de acţionare uşor (mild hybrid). În acest caz motorul electric funcţionează ca demaror pentru motorul termic, amortizor de putere dinamică sau generator pentru încărcarea bateriilor de la motorul termic sau prin frânare cu recuperare. Modul pur electric însă nu este posibil. În fig.12 se prezintă o configuraţie paralel-hibridă tip posttransmisie.

Fig.12. Configuraţie hibrid-paralele cu o singură axă şi posttransmisie În acest caz cutia de viteze poate modifica numai cuplul motorului termic în timp ce cuplul motorului electric este furnizat direct la roţile motoare. Această configuraţie poate fi utilizată în trenuri de acţionare unde este folosit un motor electric care are regiunea de putere constantă extinsă (x≥4). Cutia de viteze este utilizată numai pentru a modifica punctele de funcţionare ale motorului termic în scopul îmbunătăţirii performanţelor vehiculului şi

10

randamentul de funcţionare a motorului termic. Totuşi, în această configuraţie bateriile nu pot fi încărcate de către motorul electric atunci când vehiculul staţionează deoarece motorul este cuplat rigid la roţile motoare. În fig.13 se prezintă o configuraţie paralelă cu două punţi motoare în care o axă este acţionată de motorul termic iar cea de-a doua este acţionată de motorul electric.

Fig.13. Configuraţie hibrid-paralele cu doua punţi motoare acţionate separat Cuplul de tracţiune de la cele două trenuri de acţionare se sumează prin intermediul şasiului vehiculului şi calea de rulare. Principiul de funcţionare este similar celui prezentat în fig.8. Atât cutia de viteze pentru motorul electric cât şi cea pentru motorul termic pot fi cu o treaptă sau mai multe trepte. Arhitectura cu axe separate oferă unele din avantajele vehiculelor convenţionale. Ea menţine nealterat trenul de acţionare cu motor termic al maşinii originale şi adaugă un sistem de tracţiune electrică la cealaltă punte. În acest fel arhitectura poate avea patru roţi motoare, ceea ce permite optimizarea tracţiunii pe căile de rulare alunecoase şi reducerea efortului de tracţiune la nivel de pneuri. Însă maşina electrică şi eventual diferenţialul ocupă spaţiu considerabil şi poate reduce spaţiul alocat pasagerilor şi bagajelor. Această problemă poate fi rezolvată dacă se utilizează pentru motorul electric o cutie de viteze cu o singură treaptă iar motorul este înlocuit cu două motoare electrice mai mici care pot fi plasate în interiorul roţilor motoare. Nici în această situaţie bateriile nu pot fi încărcate atunci când vehiculul staţionează.

Configuraţii de trenuri de acţionare hibride cu dispozitive de sumare a vitezelor

Puterile de la cele două motoare pot fi cuplate împreună printr-un dispozitiv de sumare a vitezelor (fig.14).

Fig.14. Dispozitiv de sumare ponderată a vitezelor Relaţiile dintre mărimile de intrare şi cele de ieşire sunt de forma: (6) 2in21in1out kk ω+ω=ω

(7) 2

2in

1

1inout k

TkTT ==

unde k1 şi k2 sunt constante asociate dispozitivului de sumare ponderată a vitezelor de rotaţie. În fig.15 se prezintă un astfel de dispozitiv, constituit dintr-un angrenaj planetar. Angrenajul planetar are trei părţi principale mobile (rotitoare): partea din interior (1) este pinionul solar (soarele) iar partea din exterior este coroana planetară (2). Partea intermediară (3) susţine elementele în rotaţie (planetele) şi este numită portplanetară. Oricare din cele trei părţi poate fi conectată la un arbore de intrare, un arbore de ieşire sau poate fi menţinută în poziţie

11

staţionară printr-un dispozitiv de blocare. Alegerea rolului corespunzător pentru fiecare parte determină raportul de transmisie pentru setul planetar.

Fig.15. Angrenaj planetar de sumare a vitezelor Raportul vitezelor de rotaţie ale pinionului solar şi sistemul portplanetar este de forma:

(8) 13

13 R

Rω=ω

De asemenea, raportul vitezelor de rotaţie dintre sistemul portplanetar şi coroana planetară este:

(9) 32

32 R

Rω=ω

sau

(10) 23

23 R

Rω=ω

Prin sumarea ecuaţiilor (8) şi (10) se obţine:

(11) 23

21

3

13 R

RRR2 ω+ω=ω

sau

(12) 23

21

3

13 R2

RR2R

ω+ω=ω

Considerând dispozitivul fără pierderi atunci puterea de ieşire este:

(13) )R2

RR2R(TTTTP 2

3

21

3

132211333 ω+ω=ω+ω=ω=

Prin identificarea coeficienţilor rezultă:

(14) 22

31

1

33 T

RR2T

RR2T ==

În concluzie cuplul la pinionul solar este cel mai mic, cuplul la sistemul portplanetar este cel mai mare iar cuplul la coroana planetară are o valoare intermediară. Ca şi dispozitivele de sumare a cuplurilor, acest dispozitiv de sumare a vitezelor poate fi utilizat pentru proiectarea diferitelor trenuri de acţionare hibride. Astfel, în fig.16 se prezintă un exemplu de tren de acţionare hibrid prevăzut cu un dispozitiv planetar de sumare a vitezei motorului termic şi a vitezei motorului electric. Motorul termic furnizează puterea la pinionul solar prin intermediul unui ambreiaj şi a unei cutii de viteze pe când motorul electric furnizează puterea la coroana planetară cu ajutorul unei perechi de roţi dinţate. Sistemele de blocare (1) şi (2) sunt utilizate pentru blocarea pinionului solar şi respectiv a coroanei planetare la sistemul de referinţă staţionar al vehiculului în scopul satisfacerii cerinţelor diferitelor moduri de funcţionare.

12

Fig.16. Linie de acţionare hibridă cu dispozitiv de cuplare a vitezelor de tip angrenaj planetar Cu ajutorul lor se pot realiza următoarele moduri: 1. Tracţiune hibridă. Când sistemele de blocare (1) şi (2) sunt inactive pinionul solar şi coroana planetară se rotesc şi deci atât motorul termic cât şi motorul electric furnizează viteze şi cupluri pozitive (puteri pozitive) la roţile motoare. 2. Tracţiune în mod pur termic. Când sistemul de blocare (1) este inactiv iar sistemul (2) blochează coroana planetară atunci numai motorul termic furnizează putere la roţile motoare. 3. Tracţiune în mod pur electric. Când sistemul (1) blochează pinionul solar la sistemul de referinţă al vehiculului (motorul termic este oprit sau ambreiajul este desfăcut) iar sistemul de blocare (2) este inactiv atunci numai motorul electric furnizează putere mecanică la roţile motoare. 4. Frânare cu recuperare. Dacă sistemul (1) blochează pinionul solar (motorul termic este oprit sau ambreiajul este desfăcut) iar maşina electrică este comandată în regim de generator (cuplu negativ – cadranul IV) atunci energia cinetică sau potenţială a vehiculului poate fi absorbită şi înmagazinată în pachetul de baterii. 5. Încărcarea bateriilor de la motorul termic. Atunci când maşina electrică este controlată în regim de generator ea absoarbe energie de la motorul termic. Principalul avantaj al acestui tip de tren hibrid de acţionare cu dispozitiv de cuplare a vitezelor constă în faptul că vitezele celor două propulsoare sunt decuplate; în acest mod vitezele ambelor sisteme de propulsie pot fi alese în mod independent.

Configuraţii de trenuri de acţionare hibride cu dispozitive de sumare a vitezelor sau cuplurilor

Prin combinarea principiilor de sumare a celor două tipuri de mărimi se poate obţine un tren de acţionare hibrid prin care tipul de sumare se poate selecta alternativ. În fig.17 se prezintă un astfel de exemplu.

Fig.17. Linie de acţionare hibridă cu dispozitiv de cuplare a vitezelor sau cuplurilor de tip angrenaj planetar

13

Structura este prevăzută cu două sisteme de blocare a angrenajului planetar şi trei ambreiaje. Dispozitivul (1) de blocare poate bloca rotirea pinionului solar iar dispozitivul (2) poate bloca coroana planetară. Pe de altă parte, când este acţionat, ambreiajul (1) cuplează la arborele de intrare a cutiei de viteze motorul termic iar ambreiajul (2), în stare acţionată, cuplează axul motorului electric la reductorul cu două roţi dinţate care antrenează coroana planetară. În ceea ce priveşte ambreiajul (3), în stare acţionată cuplează arborele liniei de acţionare a motorului termic la cel de-al doilea sistem de roţi dinţate unde se pot suma ponderat cuplurile celor două trenuri de acţionare. Astfel, dacă se doreşte obţinerea unei sumări ponderate de cupluri atunci se comandă ambreiajele (1) şi (3), ambreiajul (2) fiind decuplat, precum şi sistemul de blocare a coroanei planetar, (2), în timp ce sistemul (1) de blocare, necomandat, permite rotirea pinionului solar. Prin urmare, în baza relaţiei (12), pentru ω2 nulă se obţine:

(15) 11

331

3

13 T

RR2T;

R2R

=ω=ω

Pe de altă parte, prin sumarea cuplurilor în amonte, se obţine:

(16) MEME

pp1p1 T

RR

TT; +=ω=ω

unde Rp şi RME sunt razele roţilor sistemului de sumare a cuplurilor. Pentru obţinerea modului de sumare ponderată a vitezelor celor două linii de acţionare atunci trebuie comandate ambreiajele (1) şi (2), ambreiajul (3) fiind decuplat, iar sistemele de blocare (1) şi (2), necomandate, permit rotirea liberă a dispozitivului planetar. Viteza portplanetarei conectate la roţile motoare este o combinaţie a vitezei motorului termic, redusă de cutia de viteze, şi a vitezei motorului electric. Cuplurile celor două linii de acţionare sunt însă într-o relaţie fixă, stabilită de ecuaţia (14). Prin această posibilitate de a opta fie pentru modul de sumare ponderată a cuplurilor fie pentru cel de sumare ponderată a vitezelor, trenul de putere hibrid are mai multe mijloace de-a determina modul şi regiunile de funcţionare ale propulsoarelor în scopul optimizării globale a performanţelor. De exemplu, la viteze de deplasare mici ale vehiculului se poate opta pentru modul de funcţionare prin sumare de cupluri în scopul asigurării performanţelor de acceleraţie dorite sau a capacităţii de ascensiune. Pe de altă parte, la viteze mari de deplasare se poate utiliza modul de sumare a vitezelor trenurilor de acţionare pentru a menţine viteza de rotaţie a motorului termic în regiunea optimă de funcţionare.

Tren de acţionare mixt (serie – paralel) al unui vehicul electric hibrid Cea de-a treia configuraţie constructivă a vehiculelor electrice hibride constă într-o combinaţie a celor două moduri (serie-paralel). În principiu, varianta hibridă mixtă poate fi obţinută prin modificarea configuraţiei serie din fig.4 şi constă în asigurarea unei posibilităţi de conectare a axului generatorului la cel al motorului. Astfel cea mai simplă conexiune mixtă rezultă prin montarea generatorului pe axul de antrenare al motorului electric, cuplarea realizându-se prin intermediu unui ambreiaj comandat de unitatea centrală a vehiculului hibrid. În felul acesta prin alimentarea generatorului de la pachetul de baterii se obţine încă un propulsor electric iar dacă nu este comandat puterea mecanică a liniei de acţionare poate fi asigurată de motorul termic. În acest mod, prin selectarea manuală sau automată a modului de lucru se poate trece de la o configuraţie paralelă la una serie şi invers. Acest tip de vehicul hibrid are o flexibilitate mai mare. De exemplu, în circuitul urban unde scăderea nivelului de poluare primează, se selectează modul de funcţionare serie, date fiind regimurile de încărcare şi turaţie mai reduse specifice acestui tip de trafic. Pentru deplasări cu viteză mare, unde configuraţia serie nu mai poate satisface cerinţele crescute de sarcină, se selectează modul paralel prin activarea ambreiajului.

14

Comutarea directă, prin ambreiaj, prezintă dezavantajul unei încărcări bruşte a motorului termic atunci când se comută din configuraţia serie (ambreiaj decuplat) în cea paralelă (ambreiaj cuplat) şi aceasta mai ales în regimurile de putere redusă sau de mers în gol, când motorul termic se poate cala. Motorul termic va trece de la o sarcină redusă (rotorul generatorului) la una relativ importantă, reprezentată de rotorul generatorului şi a motorului electric, diferenţialul, puntea motoare şi rezistenţa căii de rulare, manifestată la contactul dintre pneu şi calea de rulare. De aceea este de dorit ca cele două configuraţii să poată fi active în acelaşi timp, partajând acelaşi motor termic, astfel încât cuplul acestuia să poată fi distribuit şi la generator şi la arborele mecanic de propulsie în acelaşi timp, iar modul de funcţionare serie sau paralel să poată fi stabilit nu prin întreruperea directă a unei legături mecanice ci prin adaptarea regimurilor celor două maşini electrice reversibile. Acest lucru este posibil dacă cuplarea celor trei surse de propulsie (motor termic, maşini electrice) se realizează prin intermediul unui dispozitiv de sumare simultană a cuplurilor şi vitezelor, tot de tip sistem planetar (fig.18).

Fig.18. Linie de acţionare hibridă mixtă (Toyota Prius) În acest caz, o maşină electrică de putere relativ mică (câţiva kW) cu regim preponderent de generator este conectată prin intermediul sistemului planetar cu motorul termic şi o maşină electrică de putere semnificativă (câţiva zeci de kW) care lucrează în regim de motor. Conform relaţie (12), de dependenţă a vitezele unui dispozitiv de sumare ponderată,

(12) 23

21

3

13 R2

RR2R

ω+ω=ω

viteza motorului termic, ω3, este descompusă în două viteze ponderate: ω1, care este viteza maşinii electrice mici, cuplată la pinionul solar al dispozitivului planetar, şi ω2 care este viteza de rotaţie a coroanei planetare ce determină prin intermediul unui reductor cu roţi dinţate viteza de rotaţie a roţilor motoare. Maşina electrică de putere mare este, de asemenea, cuplat printr-un dispozitiv de sumare a cuplurilor la coroana planetară şi roţile motoare (în conexiune paralel). La viteze mici de deplasare a vehiculului, maşina electrică de putere mică funcţionează în regim de generator şi absoarbe o parte din puterea motorului termic, înmagazinând energia în pachetul de baterii. În momentul când viteza de deplasare a vehiculului creşte iar viteza de rotaţie a motorului termic ajunge la o anumită valoare prestabilită, maşina de putere mică îşi reduce treptat viteza până la staţionare. Această situaţie este numită viteză de sincronism. La această viteză sistemul de blocare este activat şi blochează rotorul maşinii electrice mici de

15

statorul acesteia. În acest fel s-a ajuns la o configuraţie hibridă de tip paralel cu sumarea ponderată a cuplurilor. Când vehiculul se deplasează cu viteză mare, pentru a se evita creşterea de viteză a motorului termic, ceea ce ar conduce la o funcţionare neoptimală, maşina electrică mică va trece în regimul de funcţionare motor, schimbând viteza de rotaţie, şi va furniza putere la linia de acţionare. Astfel, prin ajustarea vitezei optime de rotaţie a motorului termic cu ajutorul mecanismului planetar şi al maşinii electrice de putere mică se obţine o economie însemnată de combustibil.