1

Sisteme de propulsie electrică a automobilelor

Criza energetică, corelată cu iminenta epuizare a produselor petroliere, pe de o parte,

precum şi restricţiile impuse de poluarea din ce în ce mai puternică a aerului cu gazele de evacuare, mai ales în marile aglomerări urbane, pe de altă parte au generat permanente preocupări de înlocuire a motorului clasic cu ardere internă. În acest context se poate afirma că ideea folosirii unor automobile cu motoare electrice este veche. Punctul de plecare se pare că îl constituie, prin avantajele puse în evidenţă, tracţiunea electrică feroviară, principalele moduri de acţionare electrică a acestor vehicule fiind prezentate în fig. 1.57. În egală măsură au existat începuturi clare în domeniul transportului urban cu tramvaie electrice.

a.

b.

Fig. 1.57 Moduri principiale de acţionare electrică a vehiculelor feroviare Astfel, principalele avantaje ale propulsiei electrice în domeniul automobilelor sunt:

• independenţă faţă de combustibilii fosili; • eliminarea sau reducerea drastică a emisiilor poluante; • randament ridicat, în comparaţie cu autovehiculele ce utilizează motoare cu ardere

internă, aspect pus în evidenţă în fig. 1.58; • simplitate constructivă a autovehiculului (din punct de vedere mecanic); • posibilitatea recuperării energiei în timpul frânării, aceasta fiind utilizată pentru

încărcarea bateriilor; • zgomot redus în timpul funcţionării; • posibilitatea de încărcare a bateriilor la domiciliu; • cheltuieli reduse de exploatare.

2

Utilizarea propulsiei electrice la autovehicule presupune antrenarea roţilor motoare ale acestora de către un motor electric. În funcţie de structura sistemului de propulsie, aceste automobile pot fi: • automobile electrice, la care propulsia se realizează doar cu ajutorul motoarelor

electrice, sursa de energie pentru alimentare constituind-o bateriile de acumulatori sau pilele de combustibil;

• automobile hibride, la care sistemele de propulsie sunt prevăzute atât cu motor termic, cât şi cu motor electric şi baterii de acumulatoare. În acest caz, roţile motoare pot fi antrenate fie doar de către motorul electric (configuraţie în serie a automobilului), fie atât de către motorul electric, cât şi de cel termic (configuraţie în paralel). În mod evident, există şi autovehicule cu propulsie electrică care nu se încadrează în

nici una din categoriile de mai sus, nefiind prevăzute cu o sursă proprie de energie, cum este cazul troleibuselor. La aceste autovehicule, alimentarea cu energie electrică se realizează de la un cablu suspendat, aşa cum se arată în fig. 1.59, ceea ce le limitează mobilitatea şi nu le permite deplasarea decât de-a lungul unui traseu prestabilit [18, 19].

Fig. 1.58 Comparaţie a bilanţurilor energetice a-autovehicul cu motor cu ardere internă; b-autovehicul cu tracţiune electrică

Fig. 1.59 Principiul de acţionare a vehiculelor tip troleibus

3

1. Automobile electrice Propulsia electrică presupune existenţa la bordul autovehiculului a unei surse de curent electric. Primul autovehicul acţionat electric cu ajutorul unor baterii se presupune că a fost construit în anul 1870 de către un mecanic din Bruxelles, acesta având o autonomie de numai 15 [km]. După anul 1960, tot mai multe firme mari au început cercetări intense în vederea realizării unui automobil electric performant. Astfel, dintre realizările de pionierat, putem cita automobilul electric Electrovair II, a cărui organizare se poate vedea în fig. 1.60, el fiind realizat de General Motors, pe structura autoturismului Corvair.

O comparaţie a performanţelor dintre modelul de bază Corvair şi varianta electrică Electrovair II este prezentată sintetic în Tabelul 1.1.

Se observă că varianta electrică a acestui automobil se apropie mult, din punct de vedere al performanţelor, de modelul de bază, echipat cu motor cu aprindere prin scânteie, exceptând raza de acţiune, care este mult mai redusă.

Firma Ford a dezvoltat, la rândul ei, în aceeaşi perioadă, un automobil urban de mici dimensiuni, echipat cu baterie de acumulatoare cu plumb, ce atingea viteza de 65 [km/h] şi autonomie de 250 [km]. Tot la Ford s-au făcut cercetări cu o baterie sodiu-sulf, cu electrolit pe bază de aluminiu şi s-au adus îmbunătăţiri substanţiale motoarelor electrice; astfel, s-a realizat un motor electric homopolar, cu rotorul sub forma unui disc de oţel, dezvoltând o putere de 14,7 kW (20 CP), cu masa de 10 kg şi randament de 80%.

Fig. 1.60 Autoturismul Electrovair II: 1- baterii de acumulatoare; 2- rezervor pentru ulei de răcire; 3- regulator; 4- ventilator; 5- motor

electric pentru acţionarea pompei de ulei; 6- instalaţie pentru alimentarea motorului electric-compusă din generator şi modulator de frecvenţe; 7- motor electric asincron; 8- redresor; 9- mecanismul de

angrenare a punţii motoare

Tabelul 1.1

Corvair Electrovair II

Greutate totală Viteza maximă Raza de acţiune

Timpul de accelerare de la 0 – 95 km/h

Greutatea ansamblului de propulsat a autovehiculului

1.180 kgf 180 km/h

400 – 480 km

16 s

305 kgf

1.540 kgf 130 km/h

65 – 130 km

16 s

560 kgf

4

După cum se cunoaşte, bateriile cu plăci din plumb, dezvoltate încă cu mulţi ani în

urmă au ca principal avantaj preţul redus, însă energia şi puterea specifică mici conduc la o greutate ridicată, fapt care limitează utilizarea lor în acest domeniu.

În acest context, actualmente cele mai utilizate baterii pentru tracţiunea electrică a autovehiculelor sunt bateriile cu nichel şi hidruri metalice, precum şi cele pe bază de litiu, deoarece au caracteristicile cele mai favorabile (energie şi putere specifică mari, rezistenţă la un număr mare de cicluri de încărcare descărcare şi preţ relativ scăzut). Bateriile cu nichel şi hidruri metalice sunt formate, aşa cum se arată în fig. 1.61 din plăcile anodice 2, ce conţin hidroxid de nichel şi plăcile catodice 11, ce conţin hidruri metalice (aliaje Mg-Ni, Zn-Mn, Ti-Fe etc.), izolate unele faţă de celelalte de către separatorii 3. Întregul ansamblu format din electrozi şi separatori este introdus în carcasa metalică 4 - care este conectată la plăcile negative ale elementului – în care se găseşte un electrolit (soluţie alcalină - hidroxid de potasiu). Tensiunea la bornele unui element de baterie cu nichel şi hidruri metalice este de 1,4 ,…, 1,6 [V].

a)

b)

Fig. 1.61 Element de baterie cu nichel şi hidruri metalice a-construcţia; b-principiul de funcţionare; 1-bornă minus; 2-anod; 3-separator; 4-carcasă metalică; 5-carcasă izolatoare; 6-bornă plus; 7-supapă de siguranţă;

8-izolator; 9-capac; 10-garnitură; 11-catod

Fig. 1.62 Baterie cu ioni de litiu 1-carcasă metalică; 2-catod; 3-separatori; 4-borna anodului; 5-anod; 6-capac; 7-borna

catodului; 8-supapă de siguranţă

Bateriile cu ioni de litiu, a căror structură se prezintă în fig. 1.62 au, de asemenea, o structură în

straturi, catodul 2, anodul 5 şi separatorii 3 fiind introduşi într-o carcasă metalică 1, în interiorul căreia se găseşte un electrolit (în stare lichidă).

Catodul este realizat pe bază de carbon, în timp ce anodul are la bază oxid de litiu; Un element de

baterie cu ioni de litiu poate furniza o tensiune de până la 4 [V].

Faţă de aceste două tipuri de bază se utilizează, de asemenea şi alte tipuri de baterii, cum

este cazul bateriilor cu ioni de litiu şi polimeri, bateriilor cu nichel-cadmiu, la care plăcile pozitive sunt realizate din oxid de sodiu, bateriile cu sodiu-sulf, care diferă fundamental de toate celelalte tipuri prin faptul că utilizează electrozi lichizi şi

5

electrolit solid, funcţionând la o temperatură de aprox. 300 °C, sau bateriile cu sodiu şi clorură de nichel, bateriile zinc-aer, sau bateriile zinc-brom [18, 19].

Aşa cum se observă, principalul dezavantaj al propulsiei electrice îl constituie, după cum se arată în Tabelul 1.2, autonomia limitată a unui astfel de automobil, chiar şi atunci când se utilizează baterii cu nichel şi hidruri metalice sau baterii cu litiu; experimentele s-au efectuat cu un automobil cu masa este de 450 kg.

Tabelul 1.2

Autonomia medie a unui automobil cu tracţiune electrică [km] Tipul bateriei În oraş Pe autostradă

Cu plăci de plumb 113 145 Cu nichel şi hidruri

metalice 225 290

Cu litiu 320 480 Bateriile au densităţi şi puteri specifice mici (maximum 200,…,400 [W/kg], faţă de valori ce pot atinge 500,…,700 [W/kg] pentru motoarele cu ardere internă), ceea ce face ca ansamblul bateriilor să aibă dimensiuni şi greutăţi mari. În principiu, structura actuală a unui automobil cu tracţiune electrică, include următoarele subansambluri, puse în evidenţă în fig. 1.63: • bateria de acumulatori, 3; • motorul electric de antrenare, 5; • un bloc electronic 4 pentru comanda motorului electric (modificarea turaţiei, cuplului şi

a sensului de rotaţie); • o transmisie mecanică 6, formată dintr-un reductor (care poate fi, eventual, o cutie de

viteze cu maximum două rapoarte de transmitere), transmisie centrală şi diferenţial.

Fig. 1.63 Schema de principiu a unui autovehicul electric

1-priză electrică; 2-dispozitiv de încărcare; 3-baterie de acumulatori; 4-bloc de comandă şi control; 5-motor electric; 6-transmisie mecanică.

Trebuie menţionat că există şi variante constructive la care fiecare roată motoare este acţionată de către un motor propriu, prin intermediul unui reductor, aşa cum se vede în fig. 1.64.

6

a.

b.

Fig. 1.64 Antrenarea directă a roţii de către motorul electric

a-schema de principiu; b-vedere a ansamblului motor-roată; 1,.1'-motoare electrice; 2-baterie; 3-bloc electronic de comandă şi control; 4-pedală de

acceleraţie. Motoarele electrice utilizate pentru propulsia autovehiculelor pot fi de curent

continuu, sau de curent alternativ. Criterii pentru compararea şi alegerea celor două tipuri de motoare sunt prezentate în tabelul 1.3.

Tabelul 1.3

Caracteristici comparative ale motoarelor de curent continuu şi de curent alternativ Tipul motorului

Caracteristica de curent continuu de curent alternativ

Turaţia variabilă constantă Randamentul, % 85…95 93…95 Greutatea (putere constantă) mare mică Turaţia maximă, rot/min 4000…6000 9000…15000 Blocul electronic de comandă şi control

simplu complex

Preţul mare mic

Din analiza datelor din tabel se poate trage concluzia că, deşi motoarele de curent alternativ au multe avantaje, printre care şi preţul redus, aspect deloc de neglijat, preţul final al ansamblului motor-bloc electronic de comandă şi control este favorabil motoarelor de curent continuu, ceea ce face ca acestea să fie larg utilizate pentru tracţiunea electrică a autovehiculelor [18, 19].

Constructiv, motoarele de curent continuu pot fi cu excitaţie în serie, în paralel sau mixtă. Din caracteristica cuplu-turaţie rezultă că motoarele cu excitaţie serie sunt cele mai adecvate pentru tracţiune, caracteristica lor (fig. 1.65 - curba 3) fiind cea mai apropiată de caracteristica ideală, definită de ecuaţia:

P = M⋅⋅⋅⋅ n = const.

Dintre dezavantajele acestui tip de motor se pot menţiona:

7

Fig. 1.65 Caracteristica cuplu-turaţie pentru diferite tipuri de motoare de curent continuu

1-cu excitaţie în derivaţie; 2- cu excitaţie mixtă; 3-cu excitaţie în serie

• cuplu rezistent mic în regim antrenat, la turaţii mici (cuplu de frânare mic);

• necesitatea modificării modului de conectare a bobinelor de excitaţie pentru a se obţine frânarea recuperativă.

Din punct de vedere al caracteristicii cuplu-turaţie, motoarele cu excitaţie în derivaţie sunt cele mai puţin recomandate pentru tracţiune (fig. 1.65 - curba 1). Datorită avantajelor pe care le prezintă aceste motoare (inversare simplă a sensului de rotaţie, posibilitatea de realizare a frânării recuperative, cuplu de frânare mare în regim antrenat etc.) ele se pot adapta pentru tracţiune, prin proiectarea corespunzătoare a blocului de comandă şi control.

Motorul cu excitaţie mixtă îmbină avantajele celor două tipuri de motoare prezentate anterior, caracteristica sa cuplu-turaţie (fig. 1.65 – curba 2) fiind mai apropiată de caracteristica ideală decât în cazul motorului cu excitaţie derivaţie. Trebuie menţionat că autovehiculele electrice pot utiliza pentru propulsie, în acelaşi timp şi motoare speciale de curent continuu, adică motoare fără perii sau cu reluctanţă variabilă.

Principiul de funcţionare al unui motor de curent continuu fără perii este prezentat în fig. 1.66.

a) b)

Fig. 1.66 Principiul de funcţionare al unui motor de curent continuu fără perii 1…6 - înfăşurări statorice.

Motorul este format dintr-un magnet permanent cu rol de rotor şi un număr de

înfăşurări statorice; între rotor şi stator nu există nici o legătură electrică, ceea ce simplifică construcţia motorului şi permite etanşarea acestuia. Comanda şi reglarea motorului de curent continuu fără perii se realizează prin intermediul unui bloc electronic cu grad de complexitate ridicat, în comparaţie cu cel utilizat în cazul motorului de curent continuu clasic. La motorul de curent continuu cu reluctanţă variabilă, rotorul, cofecţionat din oţel este canelat, în timp ce statorul este prevăzut cu piese polare, pe care se găsesc bobinele statorice. Nici la acest tip de motor nu există legătură electrică între stator şi rotor, iar comanda şi reglarea se realizează prin intermediul unui bloc electronic cu grad de complexitate ridicat. În scopul îmbunătăţirii comportării dinamice a autovehiculului la demaraj, atunci când bateria este parţial descărcată se utilizează un supercondensator, adică un condensator cu capacitate mare (de ordinul farazilor), având un dielectric cu rezistivitate şi permitivitate electrică mari care, prin intermediul unor tranzistorilor cu efect de câmp, este conectat în paralel cu un condensator principal (fig.1.67).

8

Fig. 1.67 Supercondensator

Energia electrică stocată în supercondensator compensează căderea tensiunii la

bornele blocului de comandă al motorului, precum şi descărcarea bateriei. Supercondensatorul, descărcat până la o treime din tensiunea de alimentare (≈ 120 [V]), poate furniza o putere medie de 40 [kW] într-un interval de 10 [s]. Blocul electronic de comandă al motorului de tracţiune gestionează şi încărcarea supercondensatorului, în funcţie de regimul de deplasare al autovehiculului, starea de încărcare a bateriei şi acţiunile conducătorului. Astfel, la plecare de pe loc sau accelerare bruscă, supercondensatorul trebuie să fie complet încărcat, în timp ce la deplasarea cu viteză stabilizată relativ mare (peste 80 [km/h]), acesta trebuie să fie descărcat, urmând ca încărcarea sa să aibă loc la frânarea cu recuperare de energie. O serie de parametri constructivi sunt puşi în evidenţă în fig.1.68.

Fig. 1.68 Caracteristici constructive ale supercondensatorilor ESMA

Motoarele de curent alternativ utilizate pentru propulsia electrică sunt motoare trifazate, la care statorul este prevăzut cu înfăşurări decalate unghiular la 120°. La motoarele sincrone, rotorul este de asemenea bobinat, fiind alimentat, printr-un sistem de perii colectoare, în curent continuu. Dintre motoarele asincrone, sunt în mod uzual utilizate cele cu rotor în scurtcircuit, aşa cum este cazul celui prezentat în fig. 1.69. Utilizarea însă a motorului electric de curent alternativ pentru tracţiune presupune existenţa unui convertor curent continuu - curent alternativ; reglarea turaţiei motorului realizându-se prin modificarea frecvenţei curentului de alimentare al motorului. Modificarea cuplului motorului de curent alternativ se realizează prin varierea factorului de umplere al semnalului, cu ajutorul unui bloc de comandă cu tiristori. În afara motorului electric de tracţiune, celelalte sisteme ale autovehiculului electric (servodirecţia, compresorul sistemului de frânare, instalaţia de aer condiţionat etc.), sunt alimentate la tensiuni de 12 ,…, 24 [V]; în acest scop, la bordul autovehiculului se montează un convertizor curent continuu - curent continuu şi o baterie auxiliară.

9

Fig. 1.69 Motor de curent alternativ asincron cu rotor în scurtcircuit

Deoarece bateriile electrice necesită încărcare periodică s-a încercat găsirea unor soluţii de obţinere directă a energiei electrice din energie chimică, fără a se trece prin alte faze de transformare intermediară. Astfel, printre diversele procedee de obţinere directă a energiei electrice din energie chimică se pot cita utilizarea convertizoarelor termoelectrice, a convertizoarelor termoionice, a generatoarelor magnetohidrodinamice sau, mai recent şi mai răspândit, a pilelor de combustibil.

Pilele de combustibil produc energie electrică printr-un proces electrochimic asemănător celui care are loc într-o baterie, energia stocată într-un combustibil fiind transformată direct în energie electrică sub formă de curent continuu. Astfel de pile generează energie electrică atât timp cât sunt alimentate cu combustibil [18, 19].

Fig. 1.70 Principiul de funcţionare al pilei de combustibil

1-anod; 2-electrolit; 3-catod.

Principalele avantaje ale pilelor de combustibil sunt: • randament ridicat al conversiei; • poluare chimică şi sonoră reduse; • posibilităţi de operare cu o gamă largă de

combustibili; • posibilităţi de obţinere a aburului prin

cogenerare. În principiu, pila de combustibil este formată, aşa cum se arată în fig. 1.70, din doi electrozi poroşi (anodul 1 şi catodul 3), între care se găseşte electrolitul 2. Combustibilul trece peste anodul 1, eliberând electroni care trec prin circuitul electric exterior.

În prezent se utilizează în mod curent patru tipuri de pile de combustibil, ale căror caracteristici principale sunt prezentate în tabelul 1.4.

Tabelul 1.4

Tipuri de pile de combustibil

Tip Cu acid fosforic

Cu săruri topite Cu oxid solid Cu membrană

schimbătoare de protoni

Electrolit acid fosforic carbonat de litiu,

carbonat de potasiu

zirconiu stabilizat cu ytriu

polimer solid

10

Temperatură de

funcţionare, °C

200 650 1000 80

Starea electrolitului

lichid imobilizat

lichid imobilizat solidă solidă

Carcasa pe bază de

grafit oţel inoxidabil ceramică metalică

Catalizatorul platină nichel - platină Cantitatea de

căldură cogenerată

mică mare mare nu

Randament, % 40 ,…, 45 50 ,…, 60 50 ,…, 60 <40

Pilele cu acid fosforic, prezentate în schema de principiu din fig. 1.71 sunt în prezent cele mai bine reprezentate din punct de vedere al dezvoltării şi comercializării. Au avantajul de a putea fi alimentate cu hidrocarburi reformate (îmbogăţite în hidrogen). Combustibilul şi agentul oxidant, constituit din aer sau oxigen, ajung pe feţele posterioare ale electrozilor poroşi prin intermediul unor canale; aceste feţe sunt placate cu carbon, care este bun conducător de electricitate, ceea ce permite conectarea pilei în circuitul electric. La funcţionarea pilei au loc următoarele reacţii:

la anod: H2 → 2H+ + 2e – , în timp ce la catod: 0,5⋅O2 + 2H2 + 2e - → H2O. Electronii formaţi la anod trec prin circuitul de sarcină exterior (8) şi ajung la catod, în timp ce ionii de hidrogen trec către catod prin electrolit. Apa formată la catod este evacuată sub formă de vapori.

Fig. 1.71 Funcţionarea pilei de combustibil cu

acid fosforic 1-anod; 2-electrolit; 3-catod; 4-intrare

oxidant (aer sau oxigen); 5-ieşire oxidant + apă;

6-intrare combustibil; 7-ieşire combustibil; 8-sarcină

Fig. 1.72 Pila de combustibil cu alcool 1-rezervor apă+alcool; 2-pompă; 3-pilă de combustibil; 4-ventilator

Înafara acestor patru tipuri se utilizează şi alte pile de combustibil. Astfel, în fig. 1.72

este prezentată schema de principiu a pilei alimentată cu alcooli, de tipul metanol sau etanol; ea funcţionează la temperaturi de 50 ,…, 100 °C. Drept electrolit se foloseşte un polimer sau un lichid alcalin. Informativ, în interiorul pilei au loc următoarele reacţii: la anod: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ +6e-, iar la catod: 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O.

11

Fig. 1.73 Pilă de combustibil HONDA

Principalul avantaj al acestei pile îl constituie faptul că nu necesită un sistem de reformare a combustibilului..

Sunt bine cunoscute, de asemenea, pilele alcaline, utilizate de către NASA în misiunile Apollo pentru producerea apei şi a curentului electric; ele folosesc drept electrolit o soluţie de hidroxid de potasiu şi funcţionează la temperaturi de 150 ,…, 200 °C.

În fig. 1.73 este prezentată pila de combustibil realizată de către Honda.

Sunt posibile următoarele configuraţii în cazul unui autovehicul electric, alimentat cu pilă de combustibil: • alimentarea motorului electric de tracţiune direct de către pila de combustibil; în

acest caz pornirea autovehiculului nu este posibilă decât după ce pila a atins parametrii normali de funcţionare; nu este posibilă recuperarea energiei electrice în perioadele în care autovehiculul frânează.

• alimentarea mixtă a autovehiculului (pilă de combustibil şi baterie electrică); prezenţa bateriei electrice permite pornirea imediată a autovehiculului, chiar dacă pila de combustibil nu a atins încă parametrii funcţionali necesari propulsiei electrice. În acelaşi timp, bateria asigură o îmbunătăţire a caracteristicilor dinamice ale autovehiculului, compensând inerţia pilei şi permite frânarea regenerativă (încărcarea bateriei în timpul perioadelor de frânare). Gestionarea funcţionării în paralel a pilei şi a bateriei se face de către un bloc electronic. Această variantă permite şi o protejare a pilei de combustibil la suprasarcini.

• utilizarea unei pile de combustibil şi a unui supercondensator (soluţie utilizată de HONDA FCX-V3), asigură o îmbunătăţire a performanţelor dinamice ale autovehicului în comparaţie cu prima variantă. Astfel, la accelerare, condensatorul este cel care asigură energia electrică în prima etapă, până în momentul în care, datorită creşterii debitului de combustibil, pila atinge noul regim de funcţionare impus de către conducător. Soluţia permite şi o protejare a pilei de combustibil la suprasarcini. În fig. 1.74 este prezentată o schemă constructivă de principiu a unui autovehicul

alimentat cu pilă de combustibil şi baterie electrică, cu reformarea combustibilului.

Fig.1.74 Schema de principiu a unui autovehicul cu pilă de combustibil

1-rezervor de combustibil; 2-reformator; 3-compresor; 4-intrare aer; 5-pilă de combustibil; 6-baterie; 7-bloc electronic de comandă; 8-motor electric.

12

a) b) Fig. 1.75 Automobil MITSUBISHI alimentat cu pile de combustibil

a-automobilul; b-ansamblul reformator-pilă de combustibil

Fig. 1.76 Structura actuală a unui automobil electric

În fig. 1.75 şi fig.1.76 sunt prezentate variante actuale de automobile electrice alimentate cu pile de combustibil şi cu baterii.

2. Realizări şi tendinţe în propulsia hibridă a automobilelor

Autovehiculele electrice hibride sunt prevăzute atât cu motor termic, cât şi cu motor electric şi pot fi realizate, aşa cum s-a menţionat anterior, în două configuraţii:

• configuraţia în serie, la care nu există legătură mecanică directă între motorul termic şi transmisia mecanică. În acest caz, motorul termic antrenează un generator, care asigură încărcarea bateriei. Energia electrică stocată de către baterie este folosită pentru alimentarea motorului electric, care acţionează transmisia mecanică a automobilului. Configuraţia în serie a autovehiculelor hibride prezintă avantajul faptului că motorul termic funcţionează în regim constant de sarcină şi turaţie, ceea ce permite micşorarea consumului său de combustibil şi a emisiilor sale poluante.

• configuraţia în paralel, la care atât motorul termic cât şi motorul electric pot acţiona transmisia mecanică a automobilului. La această soluţie constructivă, motorul electric este cuplat atât cu motorul termic (prin intermediul unui ambreiaj electromagnetic), cât şi cu transmisia mecanică, putând fi utilizat şi ca generator. Astfel, atunci când motorul termic propulsează automobilul (deplasări interurbane), motorul electric este folosit ca generator, încărcând bateria. Pentru deplasarea în interiorul oraşului se foloseşte energia bateriei, care alimentează motorul electric; în acest timp, motorul termic este decuplat de la motorul electric de către ambreiaj.

13

Există şi autovehicule hibride, cum este cazul NISSAN Tino, organizate după soluţia în paralel, care sunt prevăzute însă cu două motoare electrice. Astfel, pe schema din fig. 1.77 se poate observa că motorul 3 este utilizat pentru propulsia autovehiculului, în timp ce motorul-generator 4, cuplat cu motorul termic 1, are atât rolul de demaror, asigurând pornirea motorului termic, cât şi cel de generator, realizând încărcarea bateriei 5. Motorul termic este cuplat cu motorul electric prin intermediul ambreiajului 6; atunci când se utilizează propulsia electrică, ambreiajul 6 decuplează motorul termic de restul transmisiei.

Fig. 1.77 Autovehicul hibrid în configuraţie paralelă, cu două motoare electrice. 1-motor termic; 2-variator de turaţie; 3-motor electric de propulsie; 4-motor-

generator; 5-baterie; 6-ambreiaj electromagnetic; 7-blocuri electronice de reglare şi control.

În fig. 1.78 este prezentată o soluţie adoptată de către firma MITSUBISHI pentru

realizarea unui autobuz hibrid. Acesta este realizat după configuraţia în serie, motorul cu aprindere prin comprimare 3, fiind utilizat pentru antrenarea generatorului 5. Convertizorul 4 are roluri multiple: • asigură curentul alternativ necesar motoarelor de propulsie 6; • controlează procesul de încărcare al bateriei 7; • asigură curent continuu la tensiunea de 24 [V], necesar pentru alimentarea unor

motoare suplimentare 2, destinate servodirecţiei şi compresorului de aer. Autobuzul este prevăzut cu un motor Diesel de 8200 [cm3], iar motoarele electrice de

tracţiune au câte 150 [kW] fiecare. Bateria este de tipul cu ioni de litiu, asigurând o tensiune de 648 [V]; aceasta este formată din şase module, fiecare cu câte 30 de elemenţi (3,6 [V/element]). Soluţia adoptată a permis reducerea cu 70% a consumului de combustibil, în timp ce emisiile poluante s-au redus cu 50%.

Fig. 1.78 Autobuz hibrid MITSUBISHI Fuso

1-rezervor de aer; 2-motor electric auxiliar; 3-motor Diesel; 4-convertizor cc-ca; 5-generator; 6-motoare electrice de propulsie; 7-baterii.

În fig. 1.79.a este prezentată sistemul Hyperdrive, dezvoltat de către firma PAICE. El are două moduri de operare şi anume: deplasare urbană şi deplasare interurbană.

La deplasarea în oraş, ambreiajul 3 este decuplat, motorul termic 1 este oprit, iar autovehiculul funcţionează doar pe tracţiune electrică (fig. 1.79.b), atât timp cât gradul de descărcare al bateriei nu a atins 50%. La un grad de descărcare mai ridicat, motorul termic este pornit pentru a încărca bateria, iar configuraţia autovehiculului devine în serie (fig. 1.69.c). Motorul termic este menţinut pornit până când gradul de încărcare al bateriei atinge 70%.

14

a.

b.

c.

d.

e.

f. Fig. 1.79 Sistemul Hyperdrive al firmei PAICE

a-schema de principiu; b,c-deplasare urbană; d, e-deplasare interurbană; f-consumul de combustibil la deplasarea pe autostradă; 1-motor termic; 2-generator; 3-ambreiaj; 4-motor de

tracţiune 5-baterie; 6-bloc de comandă. La deplasarea interurbană, cu viteze mai mari (fig. 1.79.d), ambreiajul 3 este

cuplat, iar autovehiculul este propulsat de către motorul termic, motorul electric nefiind utilizat. Pentru accelerare (fig. 1.79.e), sistemul realizează configuraţia în paralel, pentru propulsie fiind utilizate atât motorul termic, cât şi motorul electric [18, 19]. În fig. 1.79.f sunt redate curbele de consum de combustibil regim de rulare pe autostradă. Sistemul electronic de comandă şi control este astfel proiectat încât motorul termic să fie pornit doar dacă acesta poate funcţiona la sarcini de cel puţin 50%.

Fig. 1.80 Schema şi vederea de ansamblu a sistemului de propulsie de la autoturismul TOYOTA

PRIUS Hybrid 1-motor termic; 2-generator; 3-motor electric; 4-diferenţial; 5-bloc electronic de comandă; 6-

baterie. Una dintre cele mai cunoscute realizări în acest domeniu este autoturismul TOYOTA

PRIUS Hybrid (fig. 1.80), realizat în configuraţie paralelă; în acest caz se utilizează un diferenţial asimetric 4, descris în fig. 1.81, În schema din fig. 1.80, platoul port-sateliţi este

15

antrenat de către motorul termic 1 (care este un motor cu aprindere prin scâteie de 1,5 [l]), roata dinţată epicicloidală (cu dantură interioară), ce acţionează transmisia autovehiculului şi motorul electric 3, în timp ce pinionul planetar central antrenează generatorul electric 2.

Fig. 1.81 Diferenţialul asimetric

1-motor termic; 2-sateliţi; 3-platou port-sateliţi; 4-roată dinţată cu dantură interioară; 5-pinion

planetar central; 6-motor electric de propulsie; 7-generator electric; 8-spre transmisia

autovehiculului

La plecarea autovehiculului de pe loc, motorul electric este cel care asigură propulsia, motorul termic fiind oprit. La atingerea unei viteze de 24 [km/h], generatorul este utilizat şi ca motor, realizând pornirea motorului termic; acesta va funcţiona la un regim de turaţie constantă (4500 [rpm], 51 [kW]), antrenând gene-ratorul, care alimentează mo-torul electric. Pentru accelerare este utilizată energia electrică furnizată de către bateriile autovehiculului.

La rândul său, firma HONDA a optat pentru realizarea unui autoturism hibrid, denumit INSIGHT, ce utilizează o configura-

ţie paralelă clasică (fig. 1.82). Motorul electric, notat cu 2, care este şi generator are trei funcţii şi anume:

• încărcarea bateriilor; • pornirea motorului termic la plecarea de pe loc a autoturismului; • accelerarea autovehiculului, când transimisia este antrenată atât de către motorul

termic, cât şi de motorul electric.

Fig. 1.82 Schema şi vederea de ansamblu a sistemului de propulsie de la autoturismul HONDA INSIGHT

1-motor termic; 2-motor electric/generator; 3-cutie de viteze; 4-bloc electronic de comandă; 5-baterii.

Fig. 1.83 Autocamionul hibrid VOLVO ECT

În acelaşi timp, trebuie menţionat că firma VOLVO a dezvoltat o serie de proiecte de autovehicule hibride, precum: • autocamionul VOLVO ECT

(Environmental Concept Truck – fig. 1.83);

• autobuzul VOLVO ECB (Environmental Concept Bus - fig. 1.84);

• autoturismul VOLVO ECC (Environmental Concept Car), cu configuraţie hibridă în serie, echipat cu un grup turbogenerator şi cu baterii Ni-Cd.

16

Fig. 1.84 Autobuzul hibrid VOLVO ECB

Fig. 1.85 Turbogeneratorul VT100

Volvo ECT şi ECB utilizează acelaşi sistem de propulsie, fiind echipate cu turbogeneratorul cu recuperare de căldură VT100 (fig. 1.85) şi cu baterii Varta NiMH (400 [V], 72 [kWh]); turbogeneratorul foloseşte alcoolul etilic drept combustibil.

Aceste autovehicule pot funcţiona în mod hibrid sau numai electric. În modul de lucru hibrid (serie), energia electrică necesară funcţionării motorului electric de propulsie este furnizată de către turbogenerator (ansamblu format din turbomotor şi generator electric de curent continuu – 450 [V], 110kW), surplusul de energie electrică putând fi utilizat pentru încărcarea bateriilor (de tip NiMH). Propulsia electrică este asigurată de către baterii, turbogeneratorul fiind oprit.

Trebuie menţionat că acest sistem hibrid de propulsie derivă din cel utilizat pe autocamioanele VOLVO FL6 Hybrid, descris în fig. 1.86 Aceste autocamioane erau echipate cu un motor Diesel, care antrena generatoarele de curent electric [28].

Fig. 1.86 Schema sistemului de propulsie la autocamionul VOLVO FL6 Hybrid

În fig.1.87 este prezentat sistemul de propulsie hibrid realizat de firma germană ZF,

compus din motorul electric 1, ambreiajul 2 şi cutia de viteze planetară cu opt trepte, 3.

17

Fig. 1.87 Ansamblul motor electric-cutie de viteze a sistemului de propulsie hibrid ZF