2010

Perju Marius Mihăiță

Facultatea de Electrotehnică

1/1/2009

Vehicule electrice hibride

CuprinsCap. I Vehicule electrice hibride. Prezentare

Cap. II Tema proiectului

2.1. Cerințele proiectului2.2. Calculul parametrilor

Cap. III Funcționare

3.1. Pornire3.2. Funcționare la parametri nominali

3.3. Frânare3.4. Depășire

Cap. IV Alimentare

4.1. Bateria de acumulatoare4.2. Panoul solar

Cap. I Vehicule electrice hibride. Prezentare

Stadiul actual si tendinte

Incalzirea globala, epuizarea resurselor minerale si poluarea in aglomeratiile urbane constitue probleme care trebuie solutionate in noul secol, impunandu-se, totodata, noi standarde pentru sistemele de propulsie ale automobilelor.

Prin reducerea consumului de combustibil la automobile se realizeaza, in aceeasi masura, reducerea emisiei de CO2, ca element important al efectului de sera.

Constructorii europeni de automobile, grupati in ACEA, au acceptat o reducere cu 25 % a emisiei de CO2 pana in 2008, fata de nivelul din 1990, adica pana la 140 g/km. Acestuia ii corespunde un consum de benzina de 5,8 l/100 km si de 5,2 l/100 km de motorina, in ciclul european de testare (NEDC). Pana in anul 2012 urmeaza sa se mai faca un pas si nivelul sa fie redus pana la 120 g/km de CO2, acestuia corespunzadu-i un consum de benzina de 5 l/100 km si 4,5 l/100 km de motorina [3]. In acelasi timp, posesorii de automobile pretind siguranta si confort mai mari, cu toate ca indeplinirea acestor cerinte implica masa mai mare si cu aceasta consum de combustibil crescut. In plus, se pretind performante dinamice mai mari fara cresteri suplimentare de pret.

Este foarte important sa se precizeze faptul ca nu este suficient ca un motor cu ardere interna poate functiona pe stand, la anumite regimuri, cu consum de combustibil si poluare reduse, ci ar fi de dorit ca acesta sa poata functiona pe automobil la regimurile economice, indiferent de viteza de deplasare.

Se apreciaza ca functionarea eficienta a motorului cu ardere interna pe automobil ar fi posibila numai daca automobilul ar fi prevazut si cu un sistem electric de propulsie, care sa furnizeze puterea necesara la roata, pe intervale scurte de timp, la deplasarea in zonele aglomerate sau in orase. Intr-o astfel de configuratie (motor cu ardere interna, transmisie adaptiva, generator/motor electric) motorul cu ardere interna ar functiona numai la regimul economic, sau in preajma acestuia, iar in rest ar fi oprit sau ar functiona la ralanti.

Sisteme de propulsie hibride

Sistemele de propulsie care au in componenta lor pe langa un sistem conventional cu motor cu ardere interna inca cel putin unul capabil sa furnizeze cuplu de tractiune la rotile automobilului, pe de o parte, si sa recupereze o parte din energia cinetica, in fazele de decelerare, pe de alta parte, sunt cunoscute sub denumirea de transmisii hibride. Se prezinta arhitecturile fundamentale ale sistemelor hibride. In timp ce fig. 1, (a) prezinta structura in modul cel mai abstract, celelalte figuri particularizeaza transferul energetic intre diferitele subsisteme, prin natura legaturilor de putere: hibrid serie daca legatura motor termic / roti se face electric (motorul cu ardere interna nefiind legat cinematic la rotile motoare); hibrid paralel

(cand exista o legatura cinematica intre motorul termic si roti, caz in care, deseori, masina electrica vehiculeaza puteri inferioare celei termice), respectiv hibrid mixt (denumit si dual), arhitectura ce combina cele doua variante de mai sus.

Cel mai frecvent, cel de-al doilea sistem este unul electric, dar poate fi si hidraulic sau pneumatic. Cea de-a doua caracteristica importanta a sistemelor hibride de propulsie este aceea ca necesita cel putin doua sisteme de stocare a energiei. Primul, si cel mai cunoscut, este rezervorul de combustibil, in care energia este stocata intr-o forma foarte concentrata, iar in cel de-al doilea energia poate fi extrasa dar si acumulata, in functie de cerintele automobilului. Cele mai potrivite sunt bateriile electrice dar si supercondensatorii, acumulatorii cinetici sau hidraulici. Un acumulator deosebit de avantajos il constituie bateriile de mare putere pe baza de Litiu, care au o capacitate moderata de stocare si o durata de viata exceptionala (>240.000 km).

Pana in 2020 pe piata se vor impune baterii cu mare densitate de energie, cum ar fi Litiu-Ion (120-200 Wh/g) > NiMH (60-100 Wh/g) > Pb-acid (30-45 Wh/g).

Atuurile sistemelor hibride de propulsie sunt:

Emisii locale zero (automobil electric, all electric range -AER);

Consum redus de combustibil/emisie redusa de CO2 datorate:

Recuperarii energiei la franare;

Functionare pornire / oprire;

Deplasarea regimurilor de functionare a motorului spre polul economic;

Reducerea cilindreei prin asistare electrica.

Datorita posibilitatii de stocare a energiei exista trei modalitati de utilizare a acesteia pe automobil:

1. Functionarea motorului cu ardere interna la regimul cel mai economic;

2. Intreruperea functionarii motorului termic atunci cand nu este necesara energia furnizata de acesta (la stop, atunci cand ar trebui sa functioneze la sarcini foarte mici sau la coborarea unor pante lungi);

3. Stocarea si reutilizarea energiei de franare prin utilizarea unei masini electrice reversibile (motor/generator).

In functie de modalitatea de transmitere a puterii la rotile automobilului se pot identifica doua familii de transmisii hibride –HEV(Hybrid Electric Vehicle), fig.2 [4]:

• Transmisii hibride la care motorul termic este asistat de o masina electrica;

• Transmisii hibride la care puntile sunt actionate de catre un motor electric alimentat de un generator electric.

In functie de puterea masinii electrice se disting transmisii micro hibride (42 V si functionare pornire/oprire. Ex. Toyota Crown), mediu hibride (100-250 V cu asistarea motorului termic cu ISG-Integrated Starter Generator, ex. Honda Insight) si total hibride – full hybrid (+250 V, cu antrenarea rotilor simultan sau alternativ cu motorul termic. Ex. Toyota Prius). Principala diferenta dintre aceste tipuri este data de puterea dezvoltata de componentele electrice.

Hibridizarea micro si medie reprezinta cea mai simpla versiune. Automobilul este echipat cu un mic motor electric care ajuta la propulsie dar nu exista un sistem electric independent de transmisie. Motorul electric poate suplini sistemul conventional al transmisiei dar numai la puteri la roata relativ reduse, 2-10 pana la 25 kW. Alternatorul si demarorul sunt inlocuite printr-un sistem generator-starter, Fig. 1. Sistemele care pot asigura functia ponire/oprire sint fie de tipul Belt-Driven (B-ISG), cand masina electrica actioneaza prin curea, fie de tipul Crankshaft-Mounted (C-ISG), cand masina electrica actioneaza direct arborele cotit. Micro-hibridizarea este utila, mai degraba, in faza de demarare si utilizeaza energia recuperata, in timp ce hibridizarea medie foloseste motorul electric pentru a suplimenta puterea necesara propulsarii automobilului, acesta neputand fi propulsat numai electric. Acest sistem este benefic la deplasarile cu viteze reduse, trafic intens cu opriri si porniri repetate (stop&go), cand consumul si emisiile trebuie minimizate. Functionarea stop&go permite o reducere cu 5-10 % a emisiei de CO2. Dincolo de avantajele hibridizarii referitoare la consum si emisii se evidentiaza si imbunatatirea performantelor. Puterea suplimentara de 10-25 kW oferita de motoarele electrice este utila nu numai la pornirea din loc a automobilului ci si in perioade de accelerare pentru executarea manevrelor de depasire, la viteze cuprinse intre 80 si 120 km/h, sau la urcarea unor rampe mari.

Fig.1 Sistem generator-starter

In ciuda influentei relativ modeste a hibridizarii medii asupra performantelor generale ale automobilului totusi aceasta are avantajul unor costuri investitionale mai mici comparastiv cu hibridizarea totala.

Transmisiile total hibride (full-hybrid) se caracterizeaza prin aceea ca motorul electric poate asigura propulsia pur-electrica a automobilului. Cu alte cuvinte, transmisiile full hybrid sant suficient de puternice pentru a asigura deplasarea automobilului pe anumite distante fara sa se consume combustibil din rezervor. Reducerea emisiei de CO2 este de aproximativ 25-30 %.

De asemenea, in functie de modalitatea de interconectare a motoarelor electrice si a motorului termic se disting doua configuratii de hibridizare totala de baza [4], [2]:

• Transmisii hibride serie (numele provine de la modalitatea de conectare a componentelor), la care numai motoarele electrice sunt conectate la rotile automobilului, motorul cu ardere interna actioneaza un generator electric care alimenteaza motoarele electrice prin intermediul conectorilor electrici. Curentul produs alimenteaza motoarele electrice care actioneaza rotile. Un astfel de sistem se intalneste la Toyota Coaster. Totusi aceasta solutie este foarte rar intalnita la automobile;

• Transmisii hibride paralele, la care ambele surse de putere – motorul termic si masina electrica – sunt conectate la rotile motoare prin intermediul unor legaturi mecanice adecvate. Motorul termic si masina electrica pot actiona puntile motoare simultan sau individual, separat (o punte) sau impreuna (ambele punti), ele putand fi cuplate intre ele. Un exemplu de utilizare a acestei tehnologii este Honda IMA (Integrated Motor Assist) pe Insight si Civic.

Indiferent de configuratie elementele componente fundamentale sunt aceleasi: motorul termic, masinile electrice, convertoarele electronice de putere si sistemele electrice de stocare a energiei. Prin interconectarea adecvata a acestor componente (ambreiaje, curele, lanturi, transmisii planetare si articulatii cardanice) exista posibilitatea realizarii unor transmisii hibride capabile sa se comporte atat serie cat si paralel, fie alternativ (combined hybrids) fie simultan (mixed hybrids).

Transmisiile hibride mixte, denumite si cu ramificare de putere (split hybrid), utilizeaza sisteme electromecanice sau electromagnetice pentru a controla optim ramificarea puterii de la sursa si transmiterea ei rotilor motoare in functie de cerintele de tractiune si de performantele dorite.

Cele mai reprezentative configuratii ale sistemelor hibride de tractiune sunt prezentate in fig.4 [4]. Fiecare varianta poate fi o solutie care sa satisfaca cele mai exigente cerinte de protectie a mediului dar si pentru a satisface pretentiile de dinamicitate, cost si calitate.

Criteriile de selectare a unei transmisii hibride sunt determinate de mai multe aspecte:

• Scopul urmarit (performante de tractiune, mobilitate si exploatabilitate fara limite);

• Cerintele standardelor in vigoare (emisiile de noxe si de CO2, reciclabilitate si compatibilitate cu mediul);

• Cerintele pietei (costul ciclului de viata si de intretinere, infrastructura disponibila);

• Perceptia utilizatorului (confort, maniabilitate/dinamicitate).

Atingerea unui singur tel (de ex. emisii zero) nu trebuie sa excluda alte aspecte importante pentru patrunderea larga pe piata a acestor transmisii. De aceea o alternativa la productia de masa a transmisiilor hibride o constituie ocuparea unei „nisa” din piata, prin adoptarea unor tehnologii sofisticate si scumpe dar deosebit de necesare pentru anumite utilizari.

Transmisiile hibride paralele sunt mult mai flexibile din punct de vedere al modului de utilizare. Puterea si dimensiunea masinii electrice pot fi astfel alese incat sa se asigure un bun compromis intre cost/complexitate si eficienta (consum de combustibil, poluare). Optimizarea motorului cu ardere interna poate aduce avantaje suplimentare, dar aceasta nu constituie prima prioritate. Performantele si functiile pot fi imbunatatite gradual in functie de cresterea puterii electrice pe automobil (36 V) si

de puterea sistemelor auxiliare (aer conditionat, incalzirea catalizatorului, supape de control, comenzi prin fir – by wire).

In cazul transmisiilor hibride paralele exista o multitudine de variante de dispunere a motorului electric in raport cu motorul termic, ambreiajul si cutia de viteze [7] si 6 [2]. Alegerea solutiei optime depinde de tipul vehiculului si de cerintele transmisiei hibride. Combinatia dintre un motor electric si o cutie de viteze cu variatie continua a rapoartelor de transmitere permite realizarea unei constructii compacte cu densitate mare de putere prin utilizarea motoarelor electrice sincrone cu magneti permanenti.

Se prezinta cateva exemple reprezentative de sisteme hibride tip paralel – se observa conditionarea cinematica relativa intre regimurile de rotatie ale motoarelor termic si electric. Primul caz este specific binecunoscutei Honda Insight (existand si o varianta CVT) si se caracterizeaza prin decuplarea motorului termic in regimul sarcinilor mici – functionare ZEV (engl. Zero Emission Vehicle). Franarea regenerativa se realizeaza (f) sunt asa-numite dublu-arbore, motorul electric fiind plasat in avalul transmisiei. Uneori, ME se poate decupla, la viteze mari, de lantul de propulsie, reducand inertia echivalenta a intregului sistem si sporind si ransamentul global (prin eliminarea pierderilor din lagare). Varianta cu transmisie cu variatie continua (CVT) are marele avantaj de a plasa motorul termic (MT) in locul optim de functionare (pe caracteristica sa), avand teoretic o infinitate de puncte de operare eligibile – in comparatie cu o transmisie in trepte, ce are un numar discret, de 4 – 8 valori. La franare, din nou ME preia o mare parte din energia cinetica a automobilului, in timp ce ambreiajul A decupleaza motorul – acesta fiind oprit. In fine, fig. 5, (f) prezinta schema unui hibrid asa-numit prin cale (engl. Through-The-Road, sau TTR) – in sensul ca legatura cinematica dintre motoare se realizeaza prin calea de rulare. Un alt avantaj al acestui sistem este dat de folosirea cate unui motor pentru fiecare roata motoare spate, eliminand necesitatea diferentialului si oferind posibilitatea unui control al tractiunii imbunatatit (totusi simplitatea constructiva nu scade intotdeauna, fiindca motoarele in roti cresc substantial masa nesuspendata, iar cele suspendate au nevoie de cate un mecanism reductor incorporat).

Transmisiile hibride mixte combina aspectele pozitive atat ale transmisiei serie cat si ale celei paralele evitand supradimensionarea si costurile configuratiei serie.

Motorul electric poate antrena rotile singur sau impreuna cu motorul termic pentru a asigura eficienta maxima. In plus sistemul poate fi utilizat pentru antrenarea rotilor si in acelasi timp sa produca electricitate folosind masina electrica in regim de generator. Functionarea sistemului se face cu emisii poluante foarte scazute.

Aceste sisteme permit obtinerea unor performante ridicate, maniabilitate si gestionare optima a energiei disponibile dar complexitatea si tensiunea mare a bateriilor necesita masini electrice cu performante ridicate iar costurile le fac, deocamdata, incompatibile cu productia de massa.

La transmisiile hibride mixte (Split-Hybrid) este posibil ca numai o parte din puterea mecanica sa fie transmisa direct la roti, cealalta parte fiind transmisa prin sistemul electric. In acest fel exista posibilitatea ca randamentul total al sistemului de propulsie sa fie ridicat chiar si la vitezele reduse de deplasare ale automobilului.

Se prezinta doua exemple de sisteme hibride duale (mixte) – primul fiind al binecunoscutei Toyota Prius (sistemul THS, actualmente HSD). Efectul esential al combinarii puterilor motoarelor prin mecanismul planetar MP (aici cu rol de mecanism sumator de putere, de tip aditie de viteza) este dat de caracterul functionarii in regim predominant serie in domeniul vi punand masina electrica, ME, in regim de generator, astfel incat, cu ajutorul electronicii de putere (invertor, convertor DC/DC) se reincarca bateriile de acumulatori. Varianta (c) este ingenioasa prin eliminarea unor algoritmi de control suplimentari (cuplajul unisens deblocandu-se automat la decelerare, astfel ca motorul electric preia maximul posibil din energia cinetica, aceasta fara a controla un ambreiaj cu frictiune). Variantele (d) ...tezelor si sarcinilor mici, respectiv predominant paralel in domeniul sarcinilor mari si la mers pe autostrada. Mai mult, sistemul este continuu, fara socuri si are o serie de avantaje si de ordin constructiv – transmisia in trepte disparand, fiind inlocuita de unicul mecanism planetar. Totusi, complicatiile legate de control compenseaza din plin simplitatea mecanica (lipsa unui control riguros al tuturor celor trei motoare – MT, ME1, ME2 – ducand la fluxuri parazite de putere si in final la malfunctia intregului sistem). Sistemul a cunoscut un real succes cu Toyota Prius, si acum este si la baza Ford-ului Escape Hybrid. Curios, acesta din urma ralizeaza un consum de combustibil mai mic in oras – datorita franarii regenerative si a functionarii in regim preponderent de hibrid serie – decat pe autostrada! Trebuie subliniat ca motorul electric de tractiune (notat aici ME1) are cca. 50 kW, fiind apropiat de puterea celui termic – acesta functionand dupa ciclul Miller – Atkinson. Daca sistemele HEV paralel decuplau cinematic motorul termic la franare, in cazul sistemelor duale din familia Prius acest lucru nu se intampla – pur si simplu MT este oprit, iar ME2 (deseori denumit „generatorul”) este antrenat de rotile vehiculului, generand putere electrica catre baterii. Mai mult, ME1 face acelasi lucru, astfel ca sistemul este foarte eficient.

Apoi se prezinta schema unui prototip realizat la Universitatea Valencienne, Franta, prototip avand particularitatea lipsei dispozitivului planetar sumator de putere. In locul acestuia, aditionarea vitezelor unghiulare (fenomen intrinsec arhitecturilor mixte) se face prin controlul turatiilor relative dintre rotorul si statorul motorului ME. Dezavantajul este ca masina electrica trebuie sa transmita intotdeauna cuplul motorului termic, fapt ce presupune fie adoptarea unui motor electric foarte mare, nepractic, fie limitarea la domeniul vehiculelor mici si foarte mici (este si cazul exemplului prezentat). Figura 10 prezinta schema mecanismului sumator al SUV-ului Lexus RX-400h, constituit dintr-un mecanism planetar dublu. Deosebirea fata de THS consta in gama mai mare de turatie a motorului M1 (care acum a fost redus ca dimensiuni, insa performantele dinamice ale sistemului au crescut).

Transmisia hibrida de la Toyota

O realizare exceptionala in acest domeniu o constituie transmisia hibrida Toyota (Toyota Hybrid System – THS) lansata in 1997 pe modelul „PRIUS”, a carei schema este prezentata in fig.7 [3]. Trei deziderate au fost avute in vedere la realizarea acestui sistem de propulsie: 1) utilizarea unui motor cu ardere interna cu randament ridicat; 2) utilizarea unui sistem de control avansat care sa asigure functionarea permanenta a sistemului la regimul optim; 3) reducerea pierderilor de energie si regenerarea acesteia. Automobilul Toyota Prius face parte din clasa compact. Performantele

maxime impuse au fost: Vmax = 140 km/h, panta maxima de 30 % (17 grade), panta maxima la viteza de 105 km/h de 5 % (6 grade) si aceeasi panta la viteza de 130 km/h cu motorul electric functionand pe caracteristica instantanee.

THS este constituita dintr-un mecanism planetar simplu, un generator electric montat pe arborele solarei si un motor electric montat pe acelasi arbore cu coroana. Arborele coroanei si al motorului electric transmite miscarea la rotile automobilului printr-o transmisie cu lant si transmisia principala. Motorul cu ardere interna transmite miscarea direct platoului portsateliti. Acesta, platoul portsateliti, imparte cuplul de la motor in doua: o parte este transmis prin coroana mecanismului planetar direct la puntea motoare, iar cealalta parte prin solara mecanismului planetar la generatorul electric. Energia electrica produsa in generator este reconvertita in energie mecanica de catre motorul electric si, acesta fiind pe acelasi arbore cu coroana, transmisa puntii motoare.

Motorul si generatorul electric sunt masini electrice reversibile de curent alternativ sincrone cu magneti permanenti. Motorul electric ajuta motorul termic in fazele de demarare asigurand accelerarea lina si puternica a automobilului. Suplimentar, in fazele de decelerare, motorul electric functioneaza ca generator electric asigurand transformarea energiei cinetice a automobilului in energie electrica, aceasta fiind stocata in baterii.

Generatorul electric produce energie electrica pentru actionarea motorului electric sau pentru incarcarea bateriilor. Prin reglarea turatiei generatorului se controleaza atat cantitatea de enegie electrica produsa cat si raportul de divizare a puterii in mecanismul planetar. Generatorul serveste, totodata, ca demaror pentru pornirea motorului termic.

In structura transmisiei se afla si un dispozitiv (Inverter) care transforma curentul alternativ de la generator sau de la motorul electric, atunci cand functioneaza ca generator in fazele de regenerare, in curent continuu, pentru a stoca energia electrica in baterii si invers, pentru a alimenta motorul electric in tractiune sau generatorul cand functioneaza ca demaror.

Motorul cu ardere interna folosit este un motor cu apridere prin scanteie de 1,5 l, cu raport de destindere marit (13,5), raport de comprimare variabil (4,8 – 9,3) si distributie variabila inteligenta (VVT-i).

Schema sistemului regenerativ de franare este prezentata in fig.15. Atunci cand automobilul incetineste, fie prin frana de motor, fie prin actionarea sistemului de franare, motorul electric lucreaza ca generator electric si transforma energia cinetica in energie electrica pe care o stocheaza in baterii. Acest sistem regenerativ de franare este util in cazul franarilor si accelerarilor repetate, caracteristic deplasarilor in zonele aglomerate si urbane. Atunci cand soferul actioneaza pedala de frana atat sistemul de franare cat si sistemul regenerativ de franare sunt astfel comandate incat sa se asigure regenerarea maxima a energiei, fig.16.

Sistemul THS functioneaza in urmatoarele moduri:

1. Pornirea motorului termic si deplasarea cu viteze reduse. Alimentarea cu combustibil a motorului termic este intrerupta iar propulsia este asigurata de motorul electric alimentat de la baterii (A). Automobilul este „zero” poluant.

2. Regimul normal. Puterea de la motorul termic se ramifica in mecanismul planetar, o parte merge direct la puntea motoare prin coroana (B), iar cealalta parte antreneaza generatorul electric. Energia electrica produsa de generator este utilizata pentru actionarea motorului electric suplimentand astfel cuplul la puntea motoare (C). Ramificarea puterii se face astfel incat randamentul de functionare sa fie maxim.

3. Regimul de plina sarcina. La acest regim, in plus fata de regimul normal, motorul electric primeste suplimentar energie si de la baterii marind puterea la puntea motoare (A).

4. Decelerare/franare. In timpul franarii automobilului rotile antreneaza motorul electric, iar acesta functionand ca generator produce energie electrica ce va fi stocata in baterii (A).

5. Incarcarea bateriilor. Bateriile sunt reglate sa pastreze o anumita cantitate de energie. Cand energia stocata in baterii este scazuta acestea vor fi incarcate prin actionarea generatorului electric de catre motorul termic (D).

6. La oprirea automobilului motorul termic este oprit automat.

Consumul de combustibil al acestui automobil, in ciclul japonez de testare, este de 3,57 l/100 km.

Toyota a lansat in anul 2001 si varianta THS-M (Toyota Hybrid System – Mild) care ar putea fi aplicata pe numeroase modele japoneze de automobile. Ea a fost lansata pe un model echipat cu um motor pe benzina de 3 l, cu sase cilindri si transmisie automata. Solutia consta in trei componente principale: un starter/generator sincron tri-fazic, puternic si compact, conectat cu motorul printr-un lant de transmisie; o baterie separata, compacta, de 36 V pentru stocarea energiei si pentru a sigura cresterea puterii la demarare; o unitate de control. La oprirea automobilului, sistemul de control opreste automat motorul termic. Ca si in cazul altor sisteme automate oprire/pornire (stop&go), sistemul integrat starter/alternator de 42 V asigura atat pornirea motorului termic cat si demararea automobilului la plecarea de pe loc. In timpul franarii sau al coborarii unor pante lungi masina electrica actioneaza ca generator incarcand bateria, recuperand astfel o parte din energia cinetica a automobilului.

Economia de combustibil inregistrata este de 15 %, comparativ cu automobilul conventional, iar emisiile sunt la jumatate fata de normele japoneze ale anului 2000.

Cap. II Tema proiectului

Sa se proiecteze un vehicul hibrid, care are datele :

Puterea nominala : Pn=27 [kW]; Autonomia de mers : L=65 [km]; Numărul de perechi de poli: =2; Viteza automobilului : v=50 [km/h];

Cap. III Funcționare

3.1 Funcționare cu motor de curent continuu

Acest motor are datele nominale:

Puterea nominala : PN=27[kW] Tensiunea nominala: UN=110[V] Turația nominala : nN=2400[rpm] Randamentul nominal

Este necesară cunoașterea parametrilor nominali ai motorului de curent continuu:Curentul nomninal al motorului rezultă din relația următoare:

Iar cuplul electromagnetic se calculează astfel:

Știind că rezultă care reprezintă o constantă

a mașinii datorita faptului că motorul este construit cu magneți permanenți.

1. Pornirea motorului de curent continuu

În cazul motorului de curent continuu cuplul de pornire este aproximativ de două ori mai mare decât cuplul nominal:

Forța nominală este:

Deci la pornire forța va avea valoarea: .

Masa fiind de 1500 [Kg], accelerația de pornire va avea valoarea:

Vehiculul atinge viteza de 100 [Km/h] în:

2. Frânarea recuperativă (la cuplu nominal)

În momentul frânării recuperative, motorul trece în regim de generator. Viteza de frânare se consideră egală cu: , viteza nominală

fiind de 50 [Km/h].Folosindu-se motorul cu excitație separată, se scrie ecuația mașinii

electrice în regim nominal, de unde se scoate valoarea rezistenței interne:

Curentul de excitație poate fi considerat maxim 10% din valoarea

curentului nominal. La 5% din curentul nominal, curentul de excitație are

valoarea:

Tensiunea electromotoare indusă prin frânare recuperativă se determină

din relația:

Iar coeficientul de excitație .

Motorul de curent continuu, datorită construcției cu magneți permanenți

poate fi folosit și pe post de generator prin punerea în funcțiune a motorului

termic.

3. Funcționarea la parametri nominali

Daca .

Valorile tensiunii și curentului nominal: iar

cuplul electromagnetic va fi: .

4. Funcționarea la

iar menținerea cuplului electromagnetic la flux

constant înseamnă menținerea curentului nominal . În acest caz tensiunea este:

3.2. Funcționare cu motor asincron

Acest motor are datele nominale:

Puterea nominala : PN=25.8[kW] Tensiunea nominala: UN=230/400[V] Turația nominala : nN=1470[rpm] Numărul de perechi de poli: =2

Din aceste date se determina curentul nominal al mașinii:

Pentru calcule curentul se aproximează la 70[A].

Pentru început se determina parametrii mașinii asincrone. Aceștia sunt: rezistentele R1 si R2, inductanțele L1 si L2, inductanța de cuplaj M,curentul de gol .

Determinarea rezistentei interne a motorului se calculează considerând puterea ca fiind

de unde va rezulta:

Deci, valoarea rezistentei este: . Aceasta rezistenta se considera

Curentul de gol se ia , deci curentul se considera a fi:

Inductanța se determina astfel:

Inductanțele L1 si L2 se considera a fi egale, deci

Inductanța de cuplaj :

Propulsia cu motor asincron:

VARIAȚIA FLUXULUI STATORIC CU ÎNCĂRCAREA

A) U=400 V, f=50Hz

Mrez=0,1 Mrez=1 Mrez=3 Mrez=6

1.62 1.62 1.62 1.62

1.49 1.8 2.6 3.77

-0.08 -0.42 -1.27 -2.55

-98 -98 -98 -98

-1.27 -1.27 -1.27 -1.27

314 314 314 314

B) U=200 V, f=25 Hz

Mrez=0,1 Mrez=1 Mrez=3 Mrez=6

1.62 1.62 1.62 1.62

2.86 3.22 4 5.18

-0.04 -0.42 -1.27 -2.55

-98 -98 -97.8 -97.8

-1.2*10^-3 -12*10^-3 -34.2*10^-3 -63*10^-3

36.793*10^-3 36.785*10^-3 36.769*10^-3 36.746*10^-3

-1.27 -1.27 -1.27 -1.27

157 157 157 157

C) U=50 V, f=25/4 Hz

Mrez=0,1 Mrez=1 Mrez=3 Mrez=6

1.6 1.6 1.6 1.6

11.21 11.56 12.32 13.48

-0.04 -0.42 -1.27 -2.55

-96.7 -96.6 -96.4 -96.1

-4.9*10^-3 -48.8*10^-3 -144.8*10^-3 -284*10^-3

145.341*10^-3 145.221*10^-3 144.954*10^-3 144.561*10^-3

-1.25 -1.25 -1.25 -1.25

39.25 39.22 39.18 39.11

Ecuațiile de regim tranzitoriu ale motorului asincron sunt:

Ecuațiile de regim staționar sunt:

Necunoscutele in aceste ecuații sunt:

Prin metoda multiplicatorilor Lagrange se poate determina funcționarea la valoarea maximala a cuplului.

Formula metodei multiplicatorilor Lagrange este:

Din raționamente de timp se alege o alta metoda de rezolvare pentru

aceste ecuații.

Din acest sistem se poate determina :

a) Pornirea

b) Funcționare la

c) Funcționare la

d) Funcționarea la

Daca si atunci se pot scoate următoarele relații:

Daca se introduce aceasta ultima relație in relația

Daca funcționarea se face la frecventa industriala, atunci:

Sistemul de ecuații simplificat este:

Din acest sistem va rezulta:

Din relația

a) Pornirea

Așadar, frecventa este de 0.52[Hz]

Tensiunea este:

b) Funcționare la

Așadar, frecventa este de 49[Hz]

Tensiunea este:

c) Funcționarea la

Așadar, frecventa este de 59[Hz]

Tensiunea este:

d) Funcționarea la

Așadar, frecventa este de 49.3[Hz]

Tensiunea este:

3.3. Funcționare cu motor sincron

Acest motor are datele nominale:

Puterea nominală : PN=27[kW] Tensiunea nominala: UN=230/400[V] Turația nominala : nN=1000[rpm] Numărul de perechi de poli: =2

Ecuațiile de regim tranzitoriu ale motorului sincron:

Iar ecuațiile de regim staționar:

Pentru acest tip de motor determinarea parametrilor de face pe baza datelor anterioare de la motorul asincron astfel:

Se consideră că și de la mașina asincronă.

se determină dintr-o probă de gol, de unde va rezulta că , iar curentul de excitație se consideră a fi cel nominal calculat la mașina de curent continuu, adică:

Cuplul electromagnetic este maxim pentru și maxim.

Prima condiție este ca fluxul statoric să fie cel nominal.A doua condiție rezultă din valoarea limită pentru curentul statoric:Extremul funcției:

Cu legăturile impuse se analizează cu metoda multiplicărilor Lagrange.În acest caz funcția Lagrange este dată anterior la acționarea Vehiculului

electric hibrid cu motoare sincrone.Cuplul electromagnetic este maxim pentru calculați mai jos:

a) Funcționarea la

La funcționarea la viteză nominală:

b) Funcționarea la

Cap. IV Alimentare

4.1. Bateria de acumulatoare

Pentru funcționarea mașinii electrice se vor folosi baterii solare.

Timpul de funcționare pentru mașina electrica la o viteza de 50[km/h] si

pe o distanta de 65[km] este : .

Energia necesara mașinii electrice pentru a funcționa la o putere de 27 [kW] si pentru a merge un timp de 1.3 [h] este :

.

Pentru a avea aceasta energie se pot folosi acumulatoare.

Pentru aceasta se alege un acumulator , ce are o capacitate de 120[Ah]. Aceasta are capacitatea de a funcționa 10 ore, cu un curent de 12 [A] si o tensiune de 12 [V].

Energia acestor acumulatoare (baterii) este :

Numărul acumulatoarelor este:

acumulatoare.

Se va alege un număr de 30 de acumulatoare, pentru a avea o energie mai mare.

Energia pe un acumulator este:

Cu aceasta energie se va calcula capacitatea unui acumulator:

Masa unui astfel de acumulator este :

Deci, masa totala a celor 30 de acumulatoare este:

Pentru acest caz trebuie utilizate acumulatoare specializate.

Acumulatorul de tracţiune, utilizat ca sursa autonoma pentru alimentarea motoarelor de curent continuu destinate tracţiunii electrice, la electrocare, electrostivuitoare, trenuri electrice pentru exploatări miniere în subteran etc. Volumul de fabricaţie este mai mic decât cel înregistrat la acumulatoarele pentru demaraj, dar suficient de mare ca să ridice probleme de eficienţă tehnico-economică.

Sunt solicitate în cicluri zilnice de încărcare – descărcare. Descărcarea se face în timp de 5-8 ore până la limita capacităţii disponibile, sub curenţi de ordinul a 10-100 A, iar încărcarea, la curent sau tensiune constantă, timp de 7-14 ore.

Durata de viaţă fiind de ordinul a 500-2500 cicluri (5-12 ani) se impun construcţii adecvate:

- monocelule (rareori unităţi de 3-4 celule), înseriate în baterii cu tensiuni adecvate (12, 24, 36 sau 48 V) pentru înlocuirea elementelor defectate accidental sau cu vicii de fabricaţie;

- plăci electrod de grosimi mari (3-10 mm) în construcţie robustă;- membrane separatoare (mono sau dublustrat) mai groase ca să se

asigure rezerva de electrolit necesară unor descărcări profunde;- înălţimi mai mari pentru a se putea utiliza plăci de suprafeţe

corespunzătoare unor capacităţi mai ridicate şi pentru o rezervă mai pronunţată de electrolit deasupra nivelului plăcilor electrod;

- pentru utilizările antideflagrante se impun constructiv, măsuri care să împiedice provocarea incendiilor sau a unor explozii în timpul exploatării.

Acumulatoare destinate electromobilului

Din rândul acumulatoarelor convenţionale nu au putut fi selectate tipuri care să poată asigura vitezele obişnuite şi un parcurs mediu, între două încărcări, satisfăcător. Ar fi nevoie de un salt de la 45 Wh/kg la 75-80 Wh/kg ca să poată satisface exigenţele electromobilului citadin.

De aceea pentru un autovehicul de acest tip se alege acumulatoare alcaline. Capacitatea unui acumulator alcalin este cu un ordin de mărime mai ridicată decât cea a unui acumulator acid la aceeaşi masă.

Din motive de fiabilitate, de energie specifică ridicată, de miniaturizare, de etanşeitate, de protecţia muncii, de conservare în orice stare de încărcare, de întreţinere foarte redusă, acumulatoarele alcaline continuă să fie solicitate, în ciuda costurilor mari, de la bunurile de larg consum până la aplicaţiile speciale din marină, aviaţie şi cosmonautică.

O astfel de schema poate fi reprezentata astfel:

Tensiunea va fi:

Rezistenta echivalenta se poate calcula astfel:

Tensiunea totala pe acumulatoare este:

Curentul pe un acumulator este:

4.2. Panoul solar

Încărcarea acumulatorilor se face de la un sistem de panou solar. Acest panou nu va da aceeași energie pe toata durata zilei.

Suprafața panoului solar pentru încărcarea acumulatorilor este:

Curba punctelor de funcționare este:

U

P1

P2

P3

I

Unde P1, P2, P3 sunt puncte de funcționare. In aceste puncte se va da un maxim intr-un anumit număr de ore. Acest număr de ore este 6 pentru P1, 4 pentru P2 si 1 pentru P3.

Pentru un sistem de panouri solare fixe si mobile aceste puncte, unde puterea este maxima, se pot calcula, astfel:

Pentru sistemul fix randamentul ,iar pentru cel mobil randamentul .

Pentru a determina coordonatele acestor puncte se calculează mai întâi valoarea acestora (puterea maxima pentru fiecare curba, adică valoarea punctelor P1, P2, P3) , astfel: , unde S=suprafața panoului, p=puterea primita de la soare si η=randamentul panoului.

Coordonatele punctelor de funcționare se vor calcula astfel:

Deci, punctele au coordonatele: P1(100; 48), P2(90; 32), P3(70; 20.57).

Energia care o va da sistemul mobil este:

Energia data de către sistemul fix este:

Din aceste calcule se poate observa ca sistemul mobil oferă mai multa energie, ceea ce este de așteptat deoarece acest sistem urmărește soarele si furnizează energia maxima in intervalul de ore dat.

Motorul sincron

Cap. V Concluzii

Dezvoltarea autovehiculelor cu motoare cu ardere interna este una din cele mai mari realizări ale tehnologiei moderne. Dar, dezvoltarea industriei de autovehicule si creșterea accentuata a numărului de automobile au condus si la apariția unor efecte negative, in special cele legate de mediul înconjurător. Deteriorarea calității aerului, încălzirea globala a planetei si scăderea resurselor petroliere au devenit unele dintre principalele probleme cu care se confrunta omul modern. Datorita acestui fapt, dezvoltarea unui sistem de transport sigur, curat si cu randament crescut, constituie o preocupare tot mai mare a cercetătorilor si constructorilor din toata lumea. In consecință, dezvoltarea tehnologiilor de realizare a vehiculelor electrice, a vehiculelor hibride electrice si a vehiculelor cu pile de combustie reprezintă cele mai promițătoare soluții alternative privind sistemele de transport terestru. Tendințele actuale ale dezvoltării tehnologice arata foarte clar necesitatea pregătirii inginerilor de astăzi in acest domeniu, in scopul implementării noilor tehnologii de comanda si control si, de asemenea, pentru găsirea a unor noi soluții privind creșterea randamentului, a autonomiei si a siguranței in funcționare a vehiculelor electrice.

Cap. VI Bibliografie

1. Gott, Philip, Linna, Jan-Roger and Mello, J.P. – The Evolution of Powertrain Technology 2008 and beyond: Engines, Hybrids, Battery Electric, Fuel Cells and Transmissions. FISITA World Automotive Congress, 23-27 May, 2004, Barcelona, Spain, Paper F2004F335.

2. Noreikat, K.E. – Antriebstechnik, die die Welt (nicht) braucht. VDI-Berichte, nr.1704, 24-25 Oktober, 2002, p.143-160.

3. Oprean, I.M. – Automobilul modern. Cerinte, Restrictii, Solutii. Editura Academiei Romane, Bucuresti, 2003.

4. Rovera, Giuseppe, Vittorio, Ravello – Scenario and Trends on Hybrid Propulsion Technologies. ATA, 56, 3 / 4, 2003, p. 78-89.

5. Walzer, Peter – Progress in Car Powerplant Technologies. FISITA World Automotive Congress, 23-27 May, 2004, Barcelona, Spain, Paper F2004F020

6. *** - Hybrid Hype – Future Drive Technologies. AutoTechnology nr.1, 2006.

7. Andreescu, Cristian, Cruceru, Dragos, Recuperarea energiei cinetice a autovehiculelor, Revista AutoTest, nr. 115, mai 2006;

8. Badin, Francois, Hybrid vehicles: realizations and potentials, Conferinta Nationala CAR 2005, Pitesti 2-4 noiembrie 2005.

9. Cruceru, Dragos N., Contributii la modelarea si simularea grupului motopropulsor hibrid la automobile, Teza de Doctorat, 2007;