5 Sisteme Hibride de Propulsie

Sisteme hibride de propulsie

Conf.dr.ing. Dănuţ Gabriel Marinescu

1Sisteme alternative de propulsie pentru automobile

SISTEME NECONVENŢIONALEDE

PROPULSIE ŞI TRANSPORTSisteme hibride de propulsie




Cuprins

Notiuni introductive

1. Principiul general al propulsării hibride

2. Componentele sistemelor hibride de propulsie

3. Clasificarea sistemelor hibride de propulsie




1. Noţiuni introductive privind sistemele hibride de propulsie

Principiul general al propulsării hibride

Organizarea generală a unui sistemul hibrid de propulsie

Sistem de stocareenergie reversibilă

Sursă de reîncărcare

Roţimotoare

sursă de Energie ireversibilĂ

Rezervor de

energie

Transformatorde energie

ireversibilă

sursă de Energie reversibilĂ

sistemde

cuplare

Sistemele hibride de propulsie utilizate la automobile sunt sisteme la care energia pentru autopropulsare este furnizată de cel puţin două surse bazate pe principii diferite de generare a energiei.









Roţimotoare


Rezervor de

energie


ireversibilă


sistemde

cuplare

După cum se poate constata în figura alaturatacele 3 componente principale ale unui sistem hibrid de propulsie sunt următoarele:

- Un transformator de energie ireversibilă;

- Un sistem de stocare a energiei reversibile;

- Un sistem de cuplare









Roţimotoare


Rezervor de

energie


ireversibilă


sistemde

cuplare

Transformatorul de energie ireversibilăconstituie un sistem deschis ce utilizează un combustibil stocat în rezervor şi oxigenul din aer.

El produce energie şi emite produşi de degradare generaţi prin reacţii chimice.









Roţimotoare


Rezervor de

energie


ireversibilă


sistemde

cuplare

Această componentă poate fi:

•un motor termic cu ardere internă sau externă, alternativă sau continuă;

•un generator cu pilă cu combustibil;

• un generator electrochimic reîncărcabil









Roţimotoare


Rezervor de

energie


ireversibilă


sistemde

cuplare

Sistemul de stocare a energiei reversibile.

Acest sistem închis constituie un rezervor ce poate furniza sau primi energie din partea altor componente.

El poate fi:• un acumulator electrochimic;• un super-condensator;• un volant de inerţie;• un sistem oleo-pneumatic.

In anumite situaţii acumulatorul electrochimic poate fi reîncărcat de la o sursă externă.









Roţimotoare


Rezervor de

energie


ireversibilă


sistemde

cuplare

Sistemul de cuplare asigură legătura între celelalte două componente (surse energetice) şi roţile motoare ale vehiculului.

Acest sistem reversibil poate avea componente mecanice (ambreiaje, cutii de viteze, mecanisme planetare, pompe) şi/sau componente electrice (motoare, generatoare etc)

Caracterizarea şi clasificarea sistemelor hibride se poate face în funcţie de tipul transformatorului de energie, tipul sistemului de stocare şi tipul sistemului de cuplare.





Componentele sistemelor hibride de propulsie

Transformatorul de energie

Această componentă are pentru sistemul hibrid de propulsie rolul de a furniza total sau parţial energia necesară autopropulsării vehiculului.

Ea trebuie să dispună de o energie masică şi volumică sporită.

Transformatoare de energie pentru

propulsia automobilelor





Componentele sistemelor hibride de propulsie: Transformatorul de energie

În tabelul alaturat sunt prezentate sintetic principalele soluţii tehnologice posibile de transformatoare de energie.

Principalele tipuri de transformatoare de energie sunt:

•Maşinile termice;•Pilele sau generatoarele electrochimice








Maşinile termice Acestea transformă energia chimică a combustibilului în energie mecanică prin oxidarea atomilor de carbon cu ajutorul oxigenului conţinut în aer.

Maşinile termice pot fi clasificate după modul de ardere sau după funcţionarea lor mecanică astfel:

-Motoare cu ardere internă ciclică (alternativă);- Motoare cu ardere continua






Motoare cu ardere internă ciclică (alternativă)cu ciclul de funcţionare în 2 timpi sau în 4 timpi, cu aprindere comandată (prin scânteie) sau prin

comprimare (cu injecţie directă sau indirectă) alimentate cu combustibil lichid sau gazos.

Randamentele maxime pot atinge 35-40%. Acest tip de transformator este utilizat la majoritatea hibridelor;






Motoare cu ardere internă, continuă- Turbina cu gaze

Maşinile rotative utilizate sunt bazate în general pe soluţia centrifugală pentru compresor şi radială pentru turbină.

Ele pot fi cu o treaptă sau cu două trepte, cu recuperator

rotativ sau cu recuperator static, alimentate cu combustibil lichid sau gazos.

Randamentele obţinute ating astăzi 30% pentru puteri cuprinse între 40-100kW.

Randamentele aşteptate în viitor vor fi de peste 40% iar emisiile vor fi reduse simţitor mulţumită arderii catalitice;






Motorul cu ardere externă continuă- Motorul Stirling

Este o masina termica cu piston (pistoane) in miscare alternativa la care evolutia gazului (pur) are loc in circuit inchis;

Gazul este supus la o diferenta de temperatura intre o sursa caldasi una rece;

Caldura este transmisa de la un incalzitor fie printr-un schimbatorde caldura fie direct prin peretii partii superioare a cilindrului;

Comprimarea si dilatarea gazului determina miscarea pistoanelor

Acesta permite atingerea unor randamente ridicate de până la 40% şi emisii poluante reduse ca urmare a arderii continue.





Motorul cu ardere externă continuă- Motorul Stirling

Industrializarea sa poate pune probleme legate de temperatura de funcţionare (ce trebuie să fie cât mai ridicată) şi de dificultatea realizării unei bune etanşeităţi în interiorul maşinii.

O societate suedeză a produs în anii 90 motoare Stirling de putere redusă cuplate la un generator electric.

O putere electrică de 8 KW poate fi obţinută cu un randament global de 33% şi cu emisii poluante reduse.






Pilele sau generatoarele electrochimice.Aceste componente transformă energia chimică conţinută în produşii reactivi direct în energie electrică.

Pentru propulsia electrică şi hibridă se disting următoarele tipuri de generatoarele electrochimice:

-pila cu combustibil;

- generatorul zinc-aer






Pila cu combustibil este un generator electrochimic la care produsele reactive (hidrogenul şi oxigenul din aer) provin din sistemul de stocare exterior şi din aerul ambiant.Hidrogenul poate fi:-stocat direct la bord (sub presiune, sub formă criogenică, sau prin intermediul hidrurilor metalice);

- obţinut prin reformarea metanolului, gazului natural, motorinei sau benzinei.

Randamentul pilei poate atinge 45-55%.

La ora actuală există mai multe realizări bazate pe pila cu combustibil pentru autoturisme şi autobuze urbane.






Generatorul zinc-aer este un generator electrochimic care utilizează un anod de zinc şi oxigenul din aer.

Acest generator electrochimic are foarte bune performanţe specifice (200 Wh/kg şi 100 W/kg) şi poate fi reîncărcat mecanic în câteva minute prin schimbarea anozilor de zinc.

Tratarea prin dizolvare şi electroliză permite reciclarea zincului pentru noi reîncărcări.






În tabelul alaturat sunt prezentate sintetic principalele soluţii tehnologice posibile de transformatoare de energie.

Putem constata că anumite configuraţii permit obţinerea directă a energiei electrice sau mecanice dorite (cazul 4 şi 2) ele fiind cele mai performante din punct de vedere al randamentului, masei şi volumului.

Alte soluţii necesită o conversie de energie, fiind utilizate chiar dacă au randamente mai reduse (1, 3, 5).

Soluţia în care au loc două transformări de energie succesiv (cazul 6) este evitata.








Componentele sistemelor hibride de propulsieSistemul de stocare a energiei reversibile (acumulatorul)

În cazul unui sistem hibrid de propulsie, componenta care asigură stocarea energiei reversibile poarta denumirea de acumulator si are următoarele funcţiuni:

-Asigură energia necesară deplasării vehiculului atâta timp cât nu este utilizat transformatorul de energie ireversibilă. Acumulatorul va trebui în acest caz să furnizeze energia necesară cu un nivel al puterii la care pot fi atinse performanţele dinamice dorite.

- Controlează diferenţa între puterea instantanee impusă de dinamica vehiculului şi cea eliberată de transformatorul de energie, furnizând sau absorbind puterea suplimentară.

- Permite stocarea unei cantităţi de energie obţinută prin recuperarea unei părţi din energia cinetică a vehiculului în perioadele de frânare sau decelerare.





Principalele tipuri de acumulatoare utilizate pentru stocarea energiei sunt următoarele:

-Acumulatorul de energie electrică;

-Acumulatorul de energie mecanică;

- Acumulatorul de energie hidraulica

Sisteme de stocare a energiei pentru propulsia automobilelor

Componentele sistemelor hibride de propulsieSistemul de stocare a energiei reversibile (acumulatorul)






Sistemul de stocare a energiei reversibile (acumulatorul)

Acumulatorul de energie electrică

Acest tip de acumulator transformă energia chimică conţinută în materiale din componenta sa(electrozi şi electrolit) în energie electrică.

Dupa caracteristicile energetice şi puterea masică se disting două familii de acumulatoare:

-Bateria de acumulatoare electrochimice

- Supercapacitorul







Bateria de acumulatoare electrochimice

În cazul acestor acumulatoare în reacţiile chimice care se produc în timpul încărcării sau descărcării intervin materialele electrozilor.

În consecinţă, energia disponibilă este ridicată iar puterea furnizată este limitată de difuzarea sarcinilor prin suprafaţa electrozilor.

12 V







Supercapacitorul este un acumulator electrostatic la care sarcinile electrice sunt stocate la suprafaţa electrozilor sub forma unui strat ionic.

Absenţa rezistenţei de difuzie în suprafaţa materialelor permite obţinerea unor puteri de încărcare şi descărcare foarte mari.







Acumulatorul de energie mecanică.

La acest tip de acumulator stocarea este realizată sub formă de energie cinetică într-un volant metalic sau din material compozit care se roteşte cu o turaţie mare (de ordinul a 30.000-40.000 rot/min) într-o incintă izolată.

Acest acumulator oferă foarte bune performanţe în ceea ce priveşte puterea masică şi durata de viaţă, având totuşi în acelaşi timp o energie masică scăzută.







Acumulatorul de energie mecanică

Sistemele actuale mecano-electrice dispun de o maşină electrică reversibilă (motor/generator) în butucul rotorului şi paliere cu sustentaţie magnetică, construcţie ce permite sporirea randamentului stocării şi reducerea volumului ansamblului.







Acumulatorul de energie hidraulică.

Stocarea energiei la un astfel de acumulator este realizată prin comprimarea unui gaz într-un rezervor ce conţine un fluid, încărcarea şi descărcarea acumulatorului fiind efectuată cu ajutorul unui agregat hidrostatic reversibil motor–pompă.

Acest acumulator prezintă performanţe foarte bune în ceea ce priveşte puterea masică şi durata de viaţă. Punctele slabe sunt legate de energia masică redusă şi de marea complexitate a sistemului.







În tabelul alaturat sunt prezentate principalele tipuri de sisteme de stocare a energiei.

Putem observa că unele soluţii nu necesită transformarea (cazul A şi I) care sunt foarte bune ca randament, masă şi volum.

Soluţiile cu dublă transformare (cazul C şi G) sunt de evitat.

Soluţiile intermediare (cazul B, D, E, F, H) sunt necesare când se doreşte stocarea energiei într-o formă diferită; ele sunt utilizate foarte frecvent.

Sisteme de stocare a energiei pentru propulsia automobilelor





Componentele sistemelor hibride de propulsieSistemul de cuplare a surselor de energie

Sistemul de cuplare are rolul de a asigura transferul si transformările de energie între roţile motoare şi celelalte două componente.

Sisteme de cuplare pentru sisteme hibride

de propulsie





Componentele sistemelor hibride de propulsieSistemul de cuplare a surselor de energie

Această cuplare se poate face prin:

- Printr-o legătură nereversibilă între transformatorul de energie şi roţile motoare, ce face posibilă autopropulsarea autovehiculului;

-Printr-o legătură reversibilă între acumulatorul de energie şi roţile motoare, care este utilizată pentru autopropulsarea vehiculului sau recuperarea energiei de frânare;

-Printr-o legătură nereversibilă între transformatorul de energie şi acumulator care este utilizată pentru eventuala reîncărcare la oprirea vehiculului;


de propulsie





Componentele sistemelor hibride de propulsiec. Sistemul de cuplare a surselor de energie

După cum este arătat în figura alaturata sistemul de cuplare are trei legături distincte cu exteriorul prin acestea fiind transferata sitransformată energia în forme diferite. Acestea sunt:

-o legătură cu transformatorul de energie prin care este transferată după caz energia mecanică, electrică sau hidraulică;

- o legătură cu sistemul de stocare a energiei prin care este transferată după caz energia mecanică, electrică sau hidraulică.

- o legătură cu roţile motoare prin care este transferată energia sub formă mecanică.




Roţimotoare


Rezervor de

energie


ireversibilă


sistemde

cuplare






În tabelul alaturat sunt prezentate diferite soluţii de sisteme de cuplare diferenţiate în funcţie de energia transferată prin cele trei legături.


de propulsie






Putem vedea că soluţia ce utilizează energia mecanică se distinge de celelalte două prin faptul că nu necesită nici o transformare a formei de energie.

Legătura transformatorului de energie cu roţile motoare va fi deci asigurată numai pe cale mecanică, sistemul de cuplare fiind pur şi simplu intercalat în transmisie.

În această situaţie sistemul de stocare va fi deci în paralel cu legătura transformator - roţi motoare, caz în care arhitectura este denumită ca hibrid paralel.


de propulsie






In cazul celorlalte două soluţii, energia produsă de transformator va fi integral convertită într-o formă de energie compatibilă cu cea schimbată de sistemul de stocare fiind necesară în final o transformare în energie mecanică.

Această arhitectură poartă denumirea de hibrid serie.

Putem vedea că în această configuraţie sistemul de stocare (acumulatorul) este plasat în paralel cu legătura generator de energie – roţimotoare.


de propulsie




Noţiuni introductive privind sistemele hibride de propulsie

Clasificarea sistemelor hibride de propulsie

Datorită faptului că automobilul cu propulsie hibridă trebuie să ofere prestaţii similare celui clasic in special in privinţa autonomiei principalele configuraţii vor trebui să includă motoare termice astfel încât ele vor fi de tip:

-termic-electric;- termic-hidraulic;-termic-pneumatic.

Dintre acestea, în domeniul propulsiei rutiere s-au dezvoltat şi aplicat în fabricaţie de serie în special sisteme de tip termic-electric.





6.1.3. Clasificarea sistemelor hibride de propulsie

Avantajele pentru care a fost promovată configuraţia termică – electrică sunt următoarele:

- Punerea la dispoziţie a două lanţuri de tracţiune ale căror performanţe sunt complementare, adică:

-Lanţul termic, caracterizat de autonomie sporită mulţumită energiei masice a hidrocarburilor lichide (de ordinul de 10.000 Wh/kg faţă de 100-200 Wh/kg pentru un acumulator electrochimic) şi uşurinţă de realimentare energetică (umplerea rezervorului se face în citeva minute);

- Lanţul electric, caracterizat de un cuplu mare la pornirea din loc, supleţe în comandă, posibilitatea recuperării unei părţi din energia cinetică a vehiculului în perioada de decelerare şi de frânare, poluare ZERO a atmosferei la locul de exploatare, zgomot redus în funcţionare;






- Optimizarea funcţionării sistemului ce permite combinarea avantajelor celor două lanţuri de tracţiune minimizând impactul dezavantajelor;

- Propunerea de vehicule ce dispun de funcţiuni suplimentare în raport cuvehiculele clasice, ceea ce permite acceptarea lor de către piaţă, cunoscute fiind costurile suplimentare la achiziţie şi mentenanţă;

- Transferarea consumului de la hidrocarburi către alte tipuri de energie primară prin intermediul unor vectori ca electricitatea sau hidrogenul în cazul hibridelor cu pilă cu combustibil.






Un prim criteriu de clasificare a hibridelor cel mai frecvent utilizat, este în funcţie de modul de cuplare al celor două lanţuri de propulsie transformator – sistem de cuplare – roţi dinţate şi sistem de stocare – sistem de cuplare – roţi motoare.

Astfel distingem:

- hibridul serie pentru o legătură de cuplare prin care este transferată energia sub formă de energie electrică sau presiune;

- hibridul paralel pentru o legătură de cuplare prin care este transferată energia sub formă de energie mecanică;

- hibridul mixt serie – paralel sau dual mode pentru cuplări ce permit cele două configuraţii.






O astfel de clasificare nu este suficientă la ora a actuală având în vedere că hibridele de tip paralel, spre exemplu, au o multitudine de arhitecturi ce nu pot fi diferenţiate decât ţinând cont de modurile de funcţionare ale sistemului.

Pe de altă parte, cum motorizările hibride sunt concurente motorizărilor clasice în ceea ce priveşte consumul, emisiile poluante sau costurile (de achiziţie şi de mentenanţă) este propusă si o clasificare după funcţiunile complementare pe care le pot aduce.






Astfel aceste funcţiuni pot fi împărţite în două categorii, anume:

-funcţiuni ce participă numai la scăderea consumului de combustibil şi a emisiilor

poluante ale vehiculelor. Pentru conducător, un astfel de vehicul nu este diferit de vehiculul clasic cu motor termic în afara performanţelor de consum şi emisii poluante, caz în care vorbim de hibride discrete.

- funcţiuni care aduc beneficii suplimentare în ceea ce priveşte:- domeniul de utilizare prin pătrunderea în zone restrictive;

- limitarea sau anularea totală a poluării în zona de funcţionare în beneficiul populaţiei locale;

- limitarea consumului de energie convenţională (fosilă) şi a poluării globale în folosul colectivităţii.

5 Sisteme Hibride de Propulsie

Documents

Transcript of 5 Sisteme Hibride de Propulsie