21

UNIVERSITATEA DE STAT PITETIFACULTATEA DE MECANIC I TEHNOLOGIE

TEM DE CASSISTEME NECONVENTIONALE DE PROPULSIE

STUDENT: GEORGEL FERARU, AR 411INDRUMATOR: Conf.dr.ing. DANUT GABRIEL MARINESCU

AUTOMOBILUL ELECTRIC

1. Istoria autovehiculului electric

Primele ncercari de propulsie electrica sunt mentionate pe la nceputul celui de-al patrulea deceniu al secolului XIX. Primul automobil electric a fost construit de catre omul de afaceri scotian Robert Anderson n 1832.Americanul Thomas Davenport a construit o mica locomotiva electrica n anul 1835, un model similar al scotianului Robert Davidson n 1837. n anul 1834 Hermann von Jacobi instaleaza un motor pe un vapor cu zbaturi si n 1838 pe unul cu elice.Tramvaiul electric apare mai trziu, n 1879, si este datorat americanului de origine belgiana K.J. Depoele. Cunoaste o evolutie mult mai rapida din cauza dezinteresului magnatilor din petrol si industria constructoare de masini fata de acest segment. Este si motivul pentru care acest mijloc de transport perimat a dainuit pna azi.Prima masina ce a depasit viteza de 100 km/h a fost electrica si construita n Belgia n 1899 (105 km/h). Exista informatii precum ca Tesla ar fi instalat primul sau motor electric pe un automobil n 1897 si ar fi parcurs 800 km cu o viteza medie de 151,246 km/h (si maxima de 193 km/h), dar datele privitoare la reusitele marelui savant sunt ascunse cu mare grije, iar ceea ce rasufla nu poate fi verificat. n acel an, 1897, n New York apar taxi-urile electrice.ncepnd din 1900, masinile electrice se bucura de un extraordinar succes, ele fiind mai numeroase dect cele cu abur sau cu benzina. Dar interese oculte impun declinul electricului ce se face resimtit prin 1920.n 1966 congresul american recomanda construirea de vehicule electrice pentru reducerea poluarii aerului. Era doar recunoastere semioficiala a stadiului dezastruos al mediului (cantitatea uriasa a noxelor din aer si a metalelor grele esapate ce deterioreaza apa si solul) si nicidecum vreo schimbare de orientare economica (ba mai mult, specialistii pot banui primele ncercari ale scenariului crizei petrolului din 1973 n 1950 industria petrolului american a detinut suprematia mondiala, dar n 1965 s-a nregistrat un usor declin ce avea sa se amplifice dupa 1970).In 1976 congresul american a produs Electric and Hybrid Vehicle Research, Development, and Demonstration Act pentru a favoriza dezvoltarea de noi tehnologii pentru baterii, motoare si componente hibride. In acest timp nsa, japonezii fac ntr-adevar reale progrese. Si nu numai ei. Peste 1.200 de fabrici sau ateliere au produs mii de modele de vehicule electrice.Nici una dintre marile companii constructoare de autovehicule nu a ocolit capitolul propulsie electrica, dar nu-si pot permite dect o iesire timida pe piata pentru a nu perturba echilibrul afacerilor ngemanate petrol auto. Ultima gaselnita n materie este un model sport electric denumit Tesla Roadster n varianta de baza si cea Sport cu diferente semnificative: acceleratie 0 96 km/h 3,9 respectiv 3,6; 248 respectiv 288 CP; 109.000 respectiv 128.500 usd. S-au vndut 150 exemplare. Automobilul este fabricat de Tesla Motors care nu are nici o legatura cu savantul. Urmeaza sa apara un rival de la McLaren denumit P1-E la un pret de numai 60.000 euro.Privind lucrurile in ansamblu, observam ca din ce in ce mai mult se discuta la televizor dar si pe diferite canale media, despre masinile viitorului, masinile hibrid si cele electrice. Marile companii precum Toyota renunta treptat la combustibil si incep sa-si transforme marcile de masini in hibrizi. Pe de alta parte se pare ca alte companii au profitat de acest moment pentru a se lansa pe piata cu modele de masini 100% electrice. Tesla, Byd, Venturi sunt cateva companii care au intrat pe piata auto cu marci 100% electrice si daca va ganditi ca aceste masini nu se pot ridica la standardele celor pe benzina sau motorina, va inselati. Venturi si Tesla pot demonstra cu brio ca si un model electric poate avea perfomante ridicate, cei doi intrand pe piata auto cu roadstere foarte capabile.Cel mai probabil viitorul auto este unul electric, lucru recunoscut si de marii producatori precum Renault care a lansat gama de masini electrice Renault ZE sau de General Motors care a lansat modelul electric Chevrolet Volt.

2. Generalitati despre autovehicule electrice

In principiu, orice automobil care are motor de tractiune electric este considerat automobil electric. Sursa de alimentare, aflata pe vehicul, poate fi de diverse tipuri, insa, pentru majoritatea covarsitoare a automobilelor electrice realizate pana in prezent, sursa este o baterie de acumulatoare electrice.Vehiculele electrice au, fata de vehiculele cu motoare termice, o serie de avantaje, si anume: reducerea drastica a poluarii chimice si fonice; posibilitatea de utilizare a unor sisteme de actionare sofisticate, oferite de cele mai moderne realizari in domeniul actionarilor electrice; posibilitatea realizarii comode a sistemelor de franare antiblocante, prin utilizarea franarii electrice; daca franrea este recuperativa, se face si o importanta economie de energie; posibilitatea de actionare individuala a rotilor (eventual, prin inglobarea motoarelor de tractiune in roti, realizand asa numitele motoroti); aceasta conduce la simplificarea sistemelor de transmisie, cea mai importanta fiind eliminarea diferentialului mecanic.Principalele dezavantaje pe care le pun automobilele electrice si care ingreuneaza proliferarea acestora sunt urmatoarele: densitatea de energie si de putere a acumulatoarelor electrice actuale este semnificativ mai scazuta decat a combustibililor (la un automobil pe benzina densitatea de energie este 10500 Wh/kg, iar la un automobil electric cu acumulator cu plumb-acid densitatea de energie fiind 161 Wh/kg); aceasta face ca , pe de o parte, autonomia automobilelor electrice sa fie inferioara celei din cazul automobilelor clasice: 150-250 km, fata de 400-800 km; pe de alta parte, viteza maxima a automobilelor electrice (100-130 km/h) este mai scazuta decat a automobilelor clasice (cca 200 km/h); de asemenea, acceleratiile realizate cu automobilele electrice sunt inferioare celor din cazul automoblielor clasice; sunt necesare statii de incarcare a bateriilor de acumulatoare; acestea pot fi dotate fie cu acumulatoare preincarcate, care sa le schimbe pe cele descarcate de pe automoblile, ceea ce pune probleme de depozitare si de asigurare a unei diversitati de baterii, in functie de tipurile de automobile existente, fie cu instalatii de incarcare a bateriilor direct pe automobile; in ultimul caz, se pune problema timpului de incarcare, acesta fiind de ordinal orelor pentru o incarcare completa normala (doar pentru incarcari partiale, el poate fi redus la ordinal minutelor-zecilor de minute); sunt necesare investitii initiale mari, daca productia automobilelor este de serie mica.Bateriile de acumulatoare cu energii mari si , mai ales, pilele electrice de combustieofera, insa, noi posibilitati, justificand o reevaluare promitatoare a fezabilitatii vehiculelor electrice rutiere.In urmatoarea figura este prezentata schema bloc a unui automobil electric:

Fig 2.1 - schema bloc a unui automobil electric

Sistemul de actionare a unui automobil electric trebuie sa satisfaca o serie decerinte, cele mai importante fiind prezentate mai jos:- Pentru o baterie data, autonomia automobilului creste daca, pe de o parte, pierderile in sistemul de actionare sunt mai scazute, iar, pe de alta parte, masa acestui sistem este mai scazuta (contribuind, astfel, la scaderea masei totale a automobilului si, implicit, la scaderea energiei necesare accelerarii si invingerii rezistentei la inaintare a automobilului); reducerea pierderilor din sistemul de actionare implica utilizarea unor sisteme de comanda si motoare electrice de tractiune cu randamente ridicate: masa sistemului de actionare poate fi redusa, in esenta, pe doua cai:- utilizand acele tipuri de motoare electrice si de convertoare care au puteri specifice (kW/kg) mari;- introducand racirea fortata, cu aer sau chiar cu apa, a motorului si a convertorului ( cu posibilitatea de utilizare a fluidului cald atunci cand este necesar la incalzirea automobilului).- Sistemul de actionare trebuie sa fie cat mai ieftin posibil, tinand seama ca bateriile de tractiune sunt, inca, foarte scumpe.- Componentele sistemului de actionare trebuie sa nu necesite - pe cat posibil intretinere, pe durata de viata a automobilului (150000-200000 km).- Sistemul de actionare trebuie sa fie fiabil, foarte rezistent la socuri si la vibratii

3. Modele de automobile electrice

3.1. Chevrolet Geo Prism 1994Primul exemplu de automobil electric prezentat va fi unul modificat dintr-un vehicul de serie (Chevrolet Geo Prism 1994), propulsat de un motor cu combustie interna (pe benzina). Acest vehicul este detinut de catre Jon Mauney.

Modificarile care au dus la transformarea intr-un automobil electric: Motorul cu combustie interna a fost inlocuit cu un motor de current alternativ; Ansamblul ambreiajului a fost scos impreuna cu toba de esapament, catalizatorul si rezervorul autovehiculului; Transmisia manuala a ramas montata pe masina functionand numai in treapa a II-a de viteza; Motorul de curent alternativ este comandat prin intermediul unui invertor (P=50 kW, Uin=300 V cc, Uies=240 V ca, trifazat);

Bateriile au fost asezate pe podeaua automobilului; 50 de baterii de 12 V plumb-acid conectate in serie cate 25 pentru a avea Uin=300 V cc; Au fost adaugate motoare electrice pentru: pompa de apa, servodirectie, aer conditionat; Schimbatorul de viteze de la transmisia manuala a fost inlocuit cu un comutator, deghizat intr-un schimbator automat pentru controlul mersului inainte si inapoi;

Un mic incalzitor electric a fost adaugat pentru a produce caldura; Un incarcator a fost adaugat pentru ca bateriile sa poata fi reincarcate. Particularitatea acestui autovehicul consta in faptul ca are 2 sisteme de incarcare: unul normal de 120 V / 240 V si unul cu incarcare de la paleta magnetica inductiva.

Indicatorul de carburant a fost inlocuit de un voltmetru;

Specificatiile tehnice ale autovehiculului construit:- autonomie: 80 km;- acceleratie: 0 100 km/h in 15 secunde;- consum la reincarcare: 12kWh;- greutatea bateriilor: 500 kg;- durata de viata a bateriilor: 3 ani.Pentru a compara costul pe o mila, dintre un autovehicul electric si unul pe carburant, iata un exemplu: energia electrica in Carolina de Nord este 8 centi/kWh pe timpul zilei si 4 centi/kWh pe timpul noptii. Inseamna ca pentru o reincarcare completa costul este de 1 $ ziua si 50 centi noaptea. Pretul carburantului este de 1,2 $ pe galon si masina merge 30 de mile cu un galon, atunci costul pe o mila este de 4 centi. In dezavantajul autovehiculului electric sta costul ridica al bateriilor (aproximativ 2000 $). Durata de viata a bateriilor este de 20000 de mile, ceea ce inseamna 10 centi pe mila.

3.2. Tesla RoadsterAl doilea tip de autovehicul electric se numeste Tesla Roadster, esteprodus de Tesla Motors.

De la 0 100 km/h in mai putin de 4 secunde, cu o viteza de varf de 200 km/h. Deoarece nu are ambreiaj, acceleratia este foarte buna.Nu conteaza in ce treapta de viteza te afli, acceleratia este mereu instantanee. Autonomia depinde de stilul si conditiile de mers. In general este in jur de 400 km pe o incarcare (mers combinat: oras + autostrada).

a) Care sunt avantajele conducerii unei masini electrice?Reducerea dependentei de combustibil, zero emisii noxe, si un cost de mai putin de 2 centi pe o mila condusa. Multe zone ofera locuri de parcare special ca un privilegiu pentru automobilele electrice.b) Cum functioneaza?Un vehicul electric nu are o mecanica atat de complexa ca unul ce foloseste motor cu ardere interna. De exemplu: motorul in 4 timpi al unui automobile conventional are peste 100 de parti mobile, in comparatie motorul de la Tesla Roadster are doar unul si anume rotorul. In concluzie, masina transporta o greutate mai mica si are mai putine piese care se pot defecta in timp.Comparatia nu se opreste numai la partile in miscare, ci continua cu cosumul de ulei, filtre, ambreiaj, bujii, filtru de aer, pompa de apa, catalizator, toba de esapament etc., toate aceste necesitand service. Toate aceste component nefiind necesare unui autovehicul electric.c) Sistemul de stocare a energiei (ESS)Atunci cand se doreste construirea unei masini electrice foarte performante, cea mai mare provocare o reprezinta inca de la inceput, bateriile. Complexitatea lor este clara: sunt grele, scumpe si ofera o putere limitata. Are o calitate care eclipseaza toate aceste dezavantaje: e curat din punct de vedere ecologic.Blocul de baterii de la Tesla Roadster, reprezinta cea mai mare inovatie pe care au descoperit-o cei de la Tesla Motors, fiind cele mai avansate tipuri de baterii din lume, combina tehnologia bazata pe Litiu-Ion cu un bloc de baterii unic care prezinta mai multe straturi de izolatie. Sunt usoare, durabile, reciclabile si sunt capabile sa dezvolte suficienta putere pentru a accelera autovehiculul de la 0 100 km/h in 3,9 secunde.d) MotorulMultor oameni le este greu sa creada ca Tesla Roadster invinge la acceleratie un Lamborghini, fiind propulsat de un motor electric de marimea unui pepene verde. Mai important decat greutatea motorului este randamentul acestuia. Motoarele construite de Tesla Motors au o eficienta de 85 95 %.e) TransmisiaTesla Roadster are doar 2 viteze ce iti permit sa conduci dupa bunul plac, indiferent daca folosesti treapta de viteza adecvata sau nu, deasemenea nu exista pedala de ambreiaj. Odata cuplata in viteza din schimbator, invertorul comanda motorul.f) Sistemul Electronic de Comanda al motoruluiMajoritatea subsistemelor instalate pe Tesla Roadster sutn in totalitate comandate electronic sub supravegherea permanenta unui calculator de bord. Toata partea de comanda este integrata intr-un DSP. El controleaza cuplul motorului, reincarcare, franarea recuperativa si monitorizeaza tensiunea furnizata de baterii, turatia motorului si temperatura.

4. Alte sisteme

a. Un alt concept revolutionar este reprezentat de autovehiculul electric cu sistem de extindere a autonomiei si cu un motor cu ardere interna de capacitate mica si foarte eficient. Daca, dupa o calatorie mai lunga, folosind exclusiv sistemul electric, nivelul de ncarcare al acumulatorului scade, sistemul de extindere a autonomiei are rolul de a ncarca acumulatorul. Motorul cu ardere interna functioneaza permanent n regimul de lucru ideal, deci consuma o cantitate minima de carburant. Urmatorul pas este reprezentat de autovehiculul electric cu un acumulator de capacitate mare, care este alimentat exclusiv de la reteaua de energie electrica, putnd fi propulsat fara emisii de noxe, n masura n care energia de ncarcare este produsa pe cai regenerative.

b. Propulsia cu hidrogen (pila de combustie)

Energia chimica este transformata n energie electrica. Componenta esentiala a fiecarui element individual dintr-o pila cu combustibil (mai multe astfel de elemente alcatuiesc o baterie) este o membrana permisiva pentru schimbul de protoni. Aceasta este interpusa ntre cei doi electrozi, anodul si catodul, fiecarui element al pilei de combustibil. Hidrogenul intra n element prin zona anodului, iar catodul este alimentat cu aer. Mai multe asemenea elemente pot genera mpreuna suficienta enrgie pentru a pune n miscare un vehicul. Hidrogenul si oxigenul reactioneaza n interiorul fiecarui element, rezultnd apa n zona catodului. Energia se degaja n urma acestui proces. Pila cu combustibil asigura conversia energiei chimice din procesul de oxidare, cunoscut si sub denumirea de "combustie rece", direct n energie electrica. Gazul rezidual al acestei reactii consta n vapori de apa ct se poate de curati.Atomii de hidrogen sunt descompusi n electroni si protoni n zona anodului. Protonii, ncarcati cu sarcini electrice pozitive, trec prin membrane spre celalalt electrod, catodul. Electronii, ncarcati cu sarcini electrice negative, sunt dirijati printr-un circuit extern nspre catod. In esenta, acest curent electric aliemnteaza motorul electric al masinii. In zona catodului, protonii reactioneaza cu oxigenul, n timp ce electronii determina formarea a ceea ce se numeste "apa reziduala", n cea mai mare parte evacuata prin teava de esapament. Aproximativ 60% din energia generata n desfasurarea procesului ajunge sa fie transformata n electricitate.

Tipuri de pile de combustieAlkaline Fuel Cells (AFC) - hidroxizi alcalini. Acestia folosesc un electrolit alcalin cum ar fi hidrura de potasiu. In general Solutia de hidroxid de potasiu in apa ete folosita ca electrolit. Temperatura la care functioneaza celulele de acest tip este de 150-200C si pot genera intre 300W si 5MW. Acest tip de celule au fost folosite pentru prima oara de NASA la misiunea spatiala Apolo.

Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC) - carbonat topit. Aceasta pila de combustie foloseste ca si electrolit carbonate alcalini . Catalizatorii sunt otraviti prin depuneri de metale alcaline, care blocheaza centrele de reactie sau prin actiunea directa a unor agenti otravitori din gazul combustibil. Acessta pila de combustie are o rata mare de eficienta , in jur de 60%. Temperatura de operare se situeaza in jurul valorii de 600 C. Datorita acestei temperaturi foarte ridicate acest tip de pile nu poate fi folosit la consumul domestic.

Zinc Air Fuel Cells (ZAFC) in acest tip de pile de combustie se afla un electrod ..., un anod din zinc separat de electrolit si un separator mecanic. Oxigenul reactioneaza cu zincul producand oxidul de zinc, ce produce electricitate.

Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) - acid fosforic. Aceste pile care folosesc acidul fosforicca electrolit sunt operate la temperature de 150-220C, deasupra temperaturii de fierbere a apei. La aceste temperaturi, chiar n absenta apei, acidul fosforic prezinta o buna conductivitate electrica. Ca electrozi se folosesc carbunele poros, hrtie carbonica sau carbura de siliciu, iar catalizatorul este pe baza de platina. Hidrogenul, care constituie combustibilul trebuie sa nu contina CO deoarece acesta otraveste catalizatorul de Pt. DPilele de tip PAFC sunt deja utilizate n centralele electrice de mare putere de 5 la 20MW. Temperatura mare de utilizare permite si generarea de energie termica n paralel cu cea electrica la valori ntre 50-1000KW. n ultimii ani se testeaza astfel de pile si n propulsarea autovehiculelor. Randamentul global este de cca 80%, din care cca 37-42% corespunde conversiei n energie electrica.

Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) membrane acida polimerizata cu schimb de protoni. PEMFC utilizeaza un electrolit polimerizat in forma unei membrane foarte subtiri si permeabile. Polimerul folosit contine de obicei un derivat organic al acidului perfluorosulfonic prins intr-un lant de politetrafluoretilen (PTFE sau teflon).Acest lant contine din loc in loc structuri chimice terminate cu gruparea SO3H. Hidrogenul acestei grupari se disociaza de molecula cand aceasta este umezita si apare in solutie ca proton. Pe de alta parte, anionii SO3 sunt mai degraba prinsi in molecula polimerului decat liberi in solutie. Acesta este unul dintre avantajele principale ale acizilor polimerizati. Protonii liberi in solutie se pot astfel deplasa si mobilitatea lor sta la baza a ceea ce s-a numit conductive protonica. De aici vine si denumirea acestui tip de pila (PEM): de la expresia proton exchange membrane sau, de asemenea, de lapolymer electrolyte membrane. Membranele de polimer acid pot fi realizate in folii extrem de subtiri, sub 50 m, facand posibila micsorarea dimensiunilor pilei si prin urmare, obtinerea unor densitati de putere crescute. Scaderea grosimii foliei de electrolit scade considerabil rezistenta interna a pilei si, prin urmare, scad si pierderile resistive din interiorul ei.Unul dintre polimerii cei mai folositi este deja renumitul Nafion. Acesta este un copolimer de acid perfluorosulfonic si PTFE in forma acida, realizat cu aproximativ 40 de ani in urma de firma Dupont. Membranele Nafion PFSA au o utilizare larga in pilele de combustie cu membrana cu schimb de protoni (PEM). Membrana functioneaza ca un separator si un electrolit solid ce permite transportul selectiv de cationi prin jonctiunea pilei. Polimerul este rezistent din punct de vedere chimic si durabil. Desi utilizarile initiale ale Nafionului au vizat realizarea de membrane separatoare in industria electrochimica, in special in domeniul separarii clorurilor alcaline, aplicatiile ulterioare au fost variate, dar cea mai importanta este la realizarea pilelor de combustie.Catalizatorul, de obicei platina, este depus sub forma de nano clusteri (3-5 nm) pe un suport de grafit - particule de grafit de 0,7 1 m si incastrate cu o parte intr-o folie de hartie grafitata. Doua folii sunt aplicate pe ambele parti ale membranei formand straturile de catalizator pentru anod si catod. Acest ansamblu PEM este cunoscut sub numele de membrana cu catalizator depus (CCM). Eficienta electrica este intre 40-50% si temperatura de operare - in jur de 60-120C. Pilele astfel realizate genereaza intre 50 si 200 KW.

Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) - metanol direct. Metanolul este lichid, deci poate fi utilizat usor. Functioneaza fara un convertor. Electrolitul este o membrana, iar temperatura de lucru 60-130 C. O companie germana a introdus o celula cu combustibil "portabila" ce utilizeaza tehnologia direct methanol fuel cell, fara a implica grelele componente mecanice asociate in general cu generarea de electricitate. Acestea utilizeaza un cartus reincarcabil cu methanol lichid si poate fi purtat intr-un buzunar pentru a alimenta bateriile. Acesta functioneaza silentios atat in pozitie verticala cat si orizontala. Astfel se estimeaza ca unitatea ar putea reduce cu pana la 70% greutatea bateriilor. Temperatura de lucru cuprinsa intre 30-130C.

Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) - oxizi solizi. Pilele de tip SOFC sunt operate la temperaturi mari, uzual n jur de 1000 C. Att electrozii ct si electrolitul sunt solizi, eliminnd n totalitate posibilitatea patrunderii electro-litului n structura poroasa a electrozilor. Temperatura mare de operare limiteaza mult materialele utilizate pentru elementele pilei. Cercetarile au fost focalizate n realizarea unei pile de forma tubulara, constnd dintr-un suport ceramic poros tubular, nconjurat de anod, electrolit si catod. Forma tubulara asigura o mai buna etansare pentru circuitul de gaze dect formele plane. Anodul este realizat din Ni metalic cu oxid de ytriu (Y2O3) stabilizat cu ZrO2, iar catodul este pe baza de perovskiti de tipul La1-xSrxMnO3 (manganit de lantan dopat cu Sr). Anodul si catodul au structuri poroase pentru a permite difuzia combustibilului (hidrogenul) si a produselor de reactie.

Comparatie ntre pilele de combustie

Avantajele si dezavantajele pilelor decombustie

Avantajele utilizarii pilelor electrice cu combustie:- randament ridicat (70% 85%) chiar si la functionare sub o sarcina partiala- nu exista piese in miscare (exceptie: ventilul pentru reglarea debitului de gaze)- functionare silentioasa- exista posibilitatea utilizarii caldurii reziduale- poluare aproape nula- fiabilitate mult mai mare decat a motoarelor cu ardere interna, datorata numarului redus de componente mobile- in cursul functionarii se produce o emisie slaba de oxizi de azot (nocivi)- comparativ cu celelalte tipuri de pile, ele functioneaza la temperaturi joase (aprox. 80C) ceea ce le confera avantajul unei inertii mici la intrarea in regimul de lucru.- utilizand o tehnologie interna speciala de reformare, pilele de combustie de tip PEM pot utiliza, virtual, orice tip de combustibil bogat in hidrogen incluzand metanolul, etanolul, gazele naturale si benzina.

Dezavantajele utilizarii pilelor electrice cu combustie:- pretul de cost este inca relativ ridicat- instalatia este sensibila in cazul contactului celor doua gaze combustibile- tensiunea electromotoare nu ramane constanta, ci scade in timpul functionarii

5. Particularitati ale automobilelor electriceUn autovehicul electric este compus din: motor electric; controler; baterie.

a. Motorul electricUn autovehicul electric poate fi echipat cu un motor de curent alternative sau un motor de curent continuu. Daca motorul este de curent continuu, atunci el va avea o tensiune de alimentare cuprinsa intre 96 192 V. Daca motorul este de curent alternativ, atunci el va avea o tensiune de alimentare cuprinsa intre 240 300 V. De obicei sunt trifazate asincrone sau sincrone fara perii. Cazurile de mai sus sunt generale, deci pot exista si motoare care sa se alimenteze la alte tensiuni.Motoarele de curent continuu sunt mai usor de instalat si mai ieftine. In general un motor are intre 20 30 de kW, iar chopper-ul intre 40 60 kW (de exemplu: un chopper alimentat de la 96 V va putea furniza maxim 400 600 A). Acest tip de motoare pot si suprasolicitate pentru perioade scurte de timp, fara sa se deterioreze. Aceasta caracteristica da autovehiculului respectiv o acceleratie rapida.Motoarele de curent alternativ sunt folosite aproape in intreaga industrie, deci se poate gasi mult mai usor unul potrivit si pentru un vehicul electric. In timpul franarii, motorul se transforma in generator si incarca bateriile prin intermediul invertorului, care poate functiona si ca redresor.In urmatorul tabel vor fi prezentate diverse motoare de tractiune:

Dintre toate tipurile de motoare electrice, cea mai promitatoare solutie pentru actionarea considerate se arata a fi motorul de c.c fara perii. Intr-adevar, acest motor nu are rival in privinta a doua caracteristici importante: randamentul si dimensiunile (masa). In plus, nu are contacte alunecatoare, implicand, deci, o intretinere foarte simpla. De asemenea, el permite un reglaj foarte simplu al vitezei; invertorul sau PWM este actualmente binecunoscut si in continuu progress din punct de vedere al pretului, fiabilitatii si compactizarii. Este adevarat ca, deocamdata, pretul acestui motor este ridicat, datorita costului magnetilor permanenti, dar el trebuie considerat in corelatie cu celelalte costuri: al energiei consumate de automobil mai scazuta datorita randamentului mai ridicat si greutatii mai mici; al schemei de comanda relativ simpla; al intretinerii foarte putin pretentioase. In plus, se intrevede o scadere in timp a costului magnetilor permanenti, ceea ce va determina si o scadere a pretului motorului.

Transmiterea cuplului motor la rotiUna dintre cele mai importante probleme ale tractiunii bazate pe aderenta o constituie modul de amplasare a motorului de tractiune pe vehicul si de actionare a rotilor motoare, acesta trebuind sa asigure atat transmiterea cuplului motor, cat si protejarea motorului de tractiune fata de socurile primite de la calea de rulare. In plus, la vehiculele cu roti pneumatice, transmiterea cuplului motor trebuie sa se faca astfel incat sa se asigure independenta rotilor motoare, pentru a reduce uzura pneurilor. Deseori, parametrii sistemului de transmisie si parametrii electrici si mecanici ai motorului de tractiune se conditioneaza reciproc. La aceasta contribuie si faptul ca, spre deosebire de actionarile stationare, gabaritele care stau la dispozitie pe vehiculele electrice sunt restranse. Actionarea rotilor motoare ale unui automobil electric poate fi: individuala, la care fiecare roata motoare este actionata de cate un motor; colectiva, la care un motor actioneaza un grup de roti.Solutia clasica de actionare a automobilelor electrice (utilizata si la automobilele cu motoare termice) este aceea a actionarii collective. Pentru ca, o data cu transmiterea cuplului de la motor la roti, sa se asigure si independent rotilor, in acest caz, este necesara utilizarea unui diferential mecanic, existand diverse solutii pentru realizarea acestuia. In figura urmatoare este prezentata una dintre cele mai simple solutii.

Fig 4.1 Principiul constructiv al unui diferential mechanic (M - motor detractiune; PN pinion; RD roata dintata;CD carcasa diferentialului; P planetare; S sateliti; RM roti motoare).

Diferentialul propriu-zis este format din carcasa CD, rotile dintate planetareP si rotile dintate-sateliti S. Cuplul se transmite de la motorul M la carcasa diferentialului, prin intermediul unui reductor format din pinionul PN fixat pe arborele lui M si roata dintata RD fixate pe CD (pentru simplitate, s-a considerat ca reductorul are o singura treapta, cu roti dintate cilindrice). In continuare, cuplul transmis planetarelor (si, implicit, rotilor automobilului, rigidizate pe axele corespunzatoare ale planetarelor) prin intermediul satelitilor, acestia din urma putandu-se, eventual, roti in jurul axelor proprii. In acest fel, se asigura independenta relativa a celor doua roti motoare RM1 si RM2. Acest sistem are o serie de dezavantaje: randamentul actionarii este micsorat de frecarile introduse de diferential; diferentialul contribuie la cresterea greutatii automobilului; diferentialul are un cost relativ ridicat si necesita o intretinere suplimentara.Pentru inlaturarea acestor dezavantaje, la automobilele electrice modern se utilizeazaactionarea individuala, fiecare roata motoare avand motorul sau. In acest caz, al actionarii individuale, cuplul poate fi transmis rotilor motoare in doua moduri: direct; prin angrenaje.La transmiterea directa, rotorul motorului este solidar (eventual, prin intermediul uneitransmisii cardanice permite deplasarea relativa pe verticala intre anumite limite a rotilor fata de cadrul automoblilului -) cu roata motoare, turatia rotii fiind, deci, egala cu turatia motorului.La transmiterea prin angrenaj, intre motor si roata motoare se dispune un angrenaj reductor, care face ca turatia rotii sa fie inferioara turatiei motorului (raportul de transmisie it>1).

Fig. 4.2 Transmiterea cuplului de la motorul de tractiune la roti:a) directa; b) prin angrenaj (M motor; RM roata motoare; R redactor).

Cu toate ca transmiterea directa a cuplului este mai simpla, ea nu este folosita decat in cazuri foarte rare cand simplitatea constructiei este hotaratoare -, avand urmatoarele dezavantaje esentiale: demontarea motorului pentru revizii necesita scoaterea rotii motoare; vitezele uzuale, relativ reduse, de circulatie implica motoare cu turatii reduse; acestea au, la o putere data, gabarite si greutati mai mari decat motoarele cu turatii ridicate; la motoarele electrice uzuale, din considerente de gabarit si de utilizare economica a materialelor active (cupru, fier), viteza periferica a rotorului trebuie sa fie mai mare de cca 50 m/s; constructive, sa fie cel mult 70% din diametrul rotii; admitand viteza periferica a rotorului 50 m/s, rezulta ca viteza vehiculului trebuie sa fie egala cu cel putin (50/0,7) m/s=71 m/s=266 km/h, pentru ca motorul sa fie bine utilizat.

b. Controler (chopper / invertor) Un chopper conectat la baterii alimenteaza mai departe motorul electric de curent continuu. Atunci cand pedala este apasata la maxim, Chopperul furnizeaza la bornele motorului intreaga tensiune de 96 V furnizata de baterii. Daca pedala nu este apasata deloc, atunci chopperul nu comanda motorul, rezulta ca masina sta pe loc. Chopperul poate furniza motorului o tensiune cuprinsa intre 0 96 V in functie de cat de mult este apasata pedala de acceleratie. Pedala de acceleratie este conectata la doua potentiometre, care traduc miscarea de translatie a pedalei intr-un semnal variabil ce comanda chopperul. Chopperul este cea mai mare componenta asezata sub capota unei masini electrice, dupa cum se vede in poza urmatoare:

Semnalul dat de potentiometre spune chopper-ului cat de multa putere sa furnizeze motorului electric. Sunt doua potentiometre din motive de siguranta, chopper-ul citeste ambele potentiometre si se asigura ca ambele dau acelasi semnal. Daca nu, chopper-ul nu functioneaza.Majoritatea choppere-lor functioneaza la o frecventa de 15 kHz pentru a nu fi auzite de urechea umana. Pulsurile in motor cauzeaza o vibratie a motorului egala cu frecventa, iar o frecventa egala sau mai mare cu 15 kHz insemnand o functionare silentioasa a masinii. Daca autovehiculul este echipat cu un motor de curent alternativ, vom folosi un invertor, iar schema bloc va arata ca in poza urmatoare:

Invertorul transforma curentul continuu furnizat de baterii, in current alternativ trifazat. La un invertor este necesar ca elementele semiconductoare sa fie comandate decalat cu 60 grade electrice, pentru a evita situatia aparitiei unui scurt-circuit la bornele bateriei. La un invertor avem nevoie de 6 elemente semiconductoare, fata de unul singur la chopper, de aici rezulta ca pretul unui invertor este sensibil mai ridicat decat al chopper-ului.

c. BateriiDupa cum se stie alimentarea motoarelor de tractiune ale automobilelor electrice se face, uzual, de la baterii electrice, care in esenta sunt formate prin formarea, in diverse conexiuni a mai multor elemente surse electrochimice.Sursele electrochimice convertesc energia chimica in energie electrica.Veriga slaba intr-un autovehicul electric o reprezinta bateriile. Sunt cel putin 6 mari probleme ale bateriilor plumb-acid: sunt grele (un bloc de baterii poate cantari 500 kg); sunt voluminoase (autovehiculele devin robuste); au capacitate limitata (poate furniza intre 12 15 kWh, ceaa ce poate insemna o autonomie de 80 km); procesul de incarcare necesita timp indelungat (aporximativ 10 h); au o durata de viata relativ scurta (3 4 ani, sau 200 de reincarcari); sunt destul de scumpe (aproximativ 2000 $).Bateriile plumb-acid pot fi inlocuite cu cele NiMH (nichel hidruri metalice). Autonomia autovehiculului se va dubla, iar bateriile au o durata de viata de aproximativ 10 ani, dar costul bateriilor este de 10 15 ori mai ridicat decat cel al bateriilor plumb-acid. Cu alte cuvinte, bateriile NiMH costa aproximativ 20000 30000 $, iar cele cu plumb-acid costa doar 2000 $. Daca privim probleme referitoare la baterii, vom avea o perspective diferita asupra folosirii benzinei si anume: la 7,5 litri de benzina ceea ce inseamna o greutate de 7 kg, costa 3 dolari si dureaza 30 de secunde pentru a o introduce in rezervor; este echivalentula 500 kg de baterii plumb-acid carecosta 2000 $ si dureaza 4 h incarcarea.Problemele pe care le au bateriile explica de ce se pune accent asupra dezvoltarii pilelor de combustie. Acestea sunt mult mai mici, mai usoare, poluare chimica redusa, randament energetic ridicat (60%), densitate masica a energiei ridicata si se reincarca foarte rapid. Este evident ca autovehiculele viitorului vor folosi motorul electric pentru tractiune, iar energia electrica necesara va fi produsa de catre pilele de combustie.

Tipuri de baterii acumulatori plumb-acid;Caracteristi teoretice:- tensiunea unei celule : 2,1 V;- densitatea de energie : masica 161 Wh/kg; volumica 686 Wh/l.In cazul acumulatoarelor cu plumb-acid uzuale, apa din electrolit se pierde in timp (prin evaporare, precum si prin descompunereai ei in H2 si O2 care se degaja la electrozi); de aceea, ea trebuie completata periodic. Pentru evitarea sulfatarii electrozilor, acumulatoarele trebuie reincarcate imediat dupa descarcarea lor. De asemenea, are loc o auto descarcare (descarcare fara a avea conectata o sarcina) a acumulatoarelor, ceea ce impune reincarcarea lor dupa perioade mari de neutilizare. Rezulta necesitatea unei intretineri pretentioase a acestor acumulatoare. Tehnologiile moderne permit realizarea acumulatoarelor cu plumb-acid in asa numita varianta fara intretinere. In acest caz acumulatoarele sunt capsulate, au o constructie adecvata a electrozilor, iar electrolitul este solidificat, fie fixat intr-un gel, fie absorbit in materiale poroase de tip vata.La aceste acumulatoare, pierderile de apa sunt neglijabile, autodescarcarea estefoarte redusa (circa 35 % din capacitatea nominala, dupa 12 luni), iar sensibilitatea lor la descarcari ocazionale puternice, la vibratii si la temperature joase este mult scazuta. Desi folosesc electrozi solidificati, densitatea de energie mai ales la descarcari rapide si temperaturi scazute este mai mare decat a acumulatoarelor uzuale. Desigur toate aceste se obtin cu pretul unui cost mai ridicat.

Avantaje:- sunt relativ ieftine;- au un numar relativ mare de cicluri de incarcare descarcare;- folosesc pentru electrozi pumbul care este disponibil in cantitati mari;- se poate realiza in varianta fara intretinere;- exista productie in serie;- la iesirea lor din functiune, plumbul din electrozi poate fi usor reciclat.Dezavantaje:- au densitate redusa a energiei, ceea ce implica greutati si volume mari;- puterea lor scade odata cu descarcarea;- capacitatea si energia lor scad, la temperaturi scazute;- ofera posibilitati limitate de incarcare rapida (incarcarea lor complete se face pe timp de cateva ore);- sunt sensibile la supracurenti (de incarcare sau descarcare).

acumulatori Ni-Cd;Caracteristi teoretice:- tensiunea unei celule : 1,3 V;- densitatea de energie : masica 209 Wh/kg; volumica 693 Wh/l.

Dintre celelalte tipuri de acumulatoare, perspectiva de a fi utilizate in tractiune, datorita energiilor lor specifice ridicate, o au cele cu sodiu-sulf (Na-S), precum si cele bazate pe litiu (Li). Pentru a obtine o conductivitate suficienta a electrolitului solid este necesara o temperatura ridicata (intre 300 400 oC; uzual 330 oC). Functionarea la o astfel de temperatura necesita o izolare termica compacta si eficienta. De regula se foloseste o izolatie termica vacuumata care acopera complet celulele acumulatorului, lasandu-se doar locuri pentru realizarea conexiunilor electrice. In incinta termica se instaleaza un incalzitor electric precum si un schimnbator de caldura lichid (pentru racirea celulelor in cazul unor descarcari puternice).

Avantaje:- au un numar foarte mare de cicluri de incarcare descarcare;- puterea lor se mentine relativ constanta dupa o descarcare partiala;- au o comportare foarte buna la temperaturi scazute;- ofera posibilitatea reincarcarii rapide (se pot realiza incarcari cu curenti de pana la 10 In);- nu necesita intretinere (acumulatoare capsulate);- exista productie in serie.Dezavantaje:- sunt scumpe (datorita costului ridicat al cadmiului);- pun probleme ecologice, cadmiul fiind toxic;- incarcarea lor pune probleme la temperaturi ridicate;

acumulatori Na-S;Caracteristi teoretice:- tensiunea unei celule : 2,1 V;- densitatea de energie : masica 792 Wh/kg; volumica 1196 Wh/l.Principalele obstacole in utilizarea acestor baterii pe automobilele electrice sunt: numarul redus de cicluri incarcare descarcare si puterea specifica scazuta la functionarea continua.

acumulatori litiu-ionUn rol esential n vederea dezvoltarii sistemelor de propulsie electrice l au acumulatorii litiu-ion, adevarate "rezervoare" de energie electrica. n cadrul joint venture-ului lor, SB LiMotive, Bosch si Samsung SDI si-au unit puterile pentru a dezvolta aceasta tehnologie si pentru industria auto. Principalul obiectiv al acestei colaborari este acela de a mari de pna la trei ori densitatea energiei n aceste baterii, precum si reducerea costurilor cu doua treimi.Acumulatorii trebuie sa fie conceputi astfel nct sa ofere o mare rezistenta la cicluri si o durata lunga de viata, garantnd n acelasi timp o functionare sigura n toate conditiile de temperature si de functionare.Primul client al companiei SB LiMotive pentru celulele de acumulatori litiu-ion este BMW. Producatorul german de automobile va utiliza celule de acumulatori pentru autovehiculele electrice dezvoltate n prezent n cadrul proiectului "Megacity Vehicle".

Tabel comparativ pentru baterii

d. Utilizarea ultracondensatoarelorConectand in paralel cu bateria de acumulatoare condensatoare cu capacitati ridicate (actualmente se realizeaza condensatoare cu dimensiuni rezonabile, avand capacitati de ordinul a 600 F, la 3 V), acestea din urma pot asigura energiile necesare in cazul pornirilor vehiculului sau al altor suprasarcini, menajand, astfel, bateria de acumulatoare si asigurand o autonomie mai ridicata a autovehiculului.

6. ConcluziiAvantaje si dezavantaje ale folosirii autovehiculelor electrice in locul autovehiculelor cu motoare clasice cu combustie interna.

Avantaje:- au un cost de exploatare aproape gratuit (circa 1 euro/100km);- se pot conduce usor, (unele nu au comenzi cu pedale pot fi utilizate si de catre anumite persoane cu handicap fizic);- intretinere simpla, usor de manevrat in parcare si de incarcat bateriile;- nu fac zgomot si nu emana fum, oxid de carbon, metale grele si alte noxe daunatoare mediului si vietii;- nu consuma suplimentar la stationarea temporara -in trafic- la semafoare, etc;- posibilitatea de utilizare a unor sisteme de actionare sofisticate, oferite de cele mai moderne realizari in domeniul actionarilor electrice;- posibilitatea realizarii comode a sistemelor de franare antiblocante, prin utilizarea franarii electrice; daca franrea este recuperative, se face si o importanta economie de energie;- posibilitatea de actionare individuala a rotilor (eventual, prin inglobarea motoarelor de tractiune in roti, realizand asanumitele motoroti); aceasta conduce la simplificarea sistemelor de transmisie, cea mai importanta fiind eliminarea diferentialului mecanic;- au cuplu constant la variatii ale turatiei in limite mari.Dezavantaje:- principalul dezavantaj este acela al autonomiei reduse;- au cost de achizitie ridicat;- bateria de acumulatori are o densitate de energie scazuta, o durata de viata relativ mica limitata de numarul de cicluri incarcare descarcare, timpi mari de incarcare;- cheltuielile pentru intretinerea bateriilor sunt destul de ridicate;- sunt necesare statii de incarcare a bateriilor de acumulatoare; acestea pot fi dotate fie cu acumulatoare preincarcate, care sa le schimbe pe cele descarcate de pe automoblile-ceea ce pune probleme de depozitare si de asigurare a unei diversitati de baterii, in functie de tipurile de automobile existente-, fie cu instalatii de incarcare a bateriilor direct pe automobile; in ultimul caz, se pune problema timpului de incarcare, acesta fiind de ordinal orelor pentru o incarcare completa normala (doar pentru incarcari partiale, el poate fi redus la ordinal minutelor-zecilor de minute);- sunt necesare investitii initiale mari, daca productia automobilelor este de serie mica.

21