Automobile cu sisteme de propulsie alternative

CACIULA BOGDAN siTANGA FLORIN

ATV 1911

I. Automobilul electric 1. Istoria autovehiculului electric

Primele încerc ri de propulsie electric sunt men ionate pe la începutul celui de-al patrulea deceniu al secolului XIX. Primul automobil electric a fost construit de c tre omul de afaceri sco ian Robert Anderson în 1832.

Americanul Thomas Davenport a construit o mic locomotiv electric în anul 1835, un model similar al sco ianului Robert Davidson în 1837 (prezen a sco ienilor în istoria vehiculelor electrice pare a fi un argument solid privind costul i eficien a acestora).

În anul 1834 Hermann von Jacobi instaleaz un motor pe un vapor cu zbaturi i în 1838 pe unul cu elice.

Tramvaiul electric apare mai târziu, în 1879, i este datorat americanului de origine belgian K.J. Depoele. Cunoa te o evolu ie mult mai rapid din cauza dezinteresului magna ilor din petrol i industria constructoare de ma ini fa de acest segment. Este i motivul pentru care acest mijloc de transport perimat a

inuit pân azi. Prima ma in ce a dep it viteza de 100 km/h a fost electric i construit

în Belgia în 1899 (105 km/h). Exist informa ii precum c Tesla ar fi instalat primul s u motor electric pe un automobil în 1897 i ar fi parcurs 800 km cu o vitez medie de 151,246 km/h ( i maxim de 193 km/h), dar datele privitoare la reu itele marelui savant sunt ascunse cu mare grije, iar ceea ce r sufl nu poate fi verificat. În acel an, 1897, în New York apar taxi-urile electrice. Începând din 1900, ma inile electric se bucur de un extraordinar succes, ele fiind mai numeroase decât cele cu abur sau cu benzin . Dar interese oculte impun declinul electricului ce se face resim it prin 1920.

În 1966 congresul american recomand construirea de vehicule electrice pentru reducerea polu rii aerului. Era doar recunoa tere semioficial a stadiului dezastruos al mediului (cantitatea uria a noxelor din aer i a metalelor grele

apate ce deterioreaz apa i solul) i nicidecum vreo schimbare de orientare economic (ba mai mult, speciali tii pot b nui primele încerc ri ale scenariului „crizei” petrolului din 1973 – în 1950 industria petrolului american a de inut suprema ia mondial , dar în 1965 s-a înregistrat un u or declin ce avea s se amplifice dup 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 i componente hibride. In acest timp însa, japonezii fac într-adev r reale progrese. i nu numai ei.


ATV 1911Peste 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 electric , dar nu- i pot permite decât o ie ire timid pe pia pentru a nu perturba echilibrul afacerilor îngem nate petrol – auto. Ultima

selni în materie este un model sport electric denumit Tesla Roadster în varianta de baz i cea Sport cu diferen e semnificative: accelera ie 0 – 96 km/h 3,9 respectiv 3,6; 248 respectiv 288 CP; 109.000 respectiv 128.500 usd. S-au vândut 150 exemplare. Automobilul este fabricat de Tesla Motors care nu are nici o leg tur cu savantul.

Urmeaz s apar un rival de la McLaren denumit P1-E la un pre 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 sau General Motors 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 urmeaza sa lanseze gama de masini electrice Renault ZE sau de General Motors care tocmai 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;


ATV 1911 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.

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 combustie

ofera, insa, noi posibilitati, justificand o reevaluare promitatoare a fezabilitatii vehiculelor electrice rutiere.


ATV 1911

In urmatoarea figura este prezentata schema bloc a unui automobil electric:

Fig 2.1

Sistemul de actionare a unui automobil electric trebuie sa satisfaca o serie de

cerinte, 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


ATV 1911

3. Modele de automobile electrice

3.1. Chevrolet Geo Prism 1994 Primul 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 curent 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);


ATV 1911

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; Schimbatoruld e 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;


ATV 1911 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;


ATV 1911 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.


ATV 1911 3.2. Tesla Roadster Al doilea tip de autovehicul electric se numeste Tesla Roadster, este

produs 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 speciale 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 automobil 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


ATV 1911greutate 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 componente 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) Motorul Multor 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) Transmisia

Tesla 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 motorului

Majoritatea 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 revolu ionar este reprezentat de autovehiculul electric

cu sistem de extindere a autonomiei i cu un motor cu ardere intern de capacitate mic i foarte eficient. Dac , dup o c torie mai lung , folosind exclusiv sistemul electric, nivelul de înc rcare al acumulatorului scade, sistemul de extindere a autonomiei are rolul de a


ATV 1911înc rca acumulatorul. Motorul cu ardere intern func ioneaz permanent în regimul de lucru ideal, deci consum o cantitate minim de carburant. Urm torul pas este reprezentat de autovehiculul electric cu un acumulator de capacitate mare, care este alimentat exclusiv de la re eaua de energie electric , putând fi propulsat f emisii de noxe, în

sura în care energia de înc rcare este produs pe c i regenerative.

b. Propulsia cu hidrogen (pil de combustie)

Energia chimica este transformata în 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 între cei doi electrozi, anodul si catodul, fiecarui element al pilei de combustibil. Hidrogenul intra în element prin zona anodului, iar catodul este alimentat cu aer. Mai multe asemenea elemente pot genera împreuna suficienta enrgie pentru a pune în miscare un vehicul. Hidrogenul si oxigenul reactioneaza în interiorul fiecarui element, rezultând apa în zona catodului.

Energia se degaja în urma acestui proces. Pila cu combustibil asigura conversia energiei chimice din procesul de oxidare, cunoscut si sub denumirea


ATV 1911de "combustie rece", direct în energie electrica. Gazul rezidual al acestei reactii consta în vapori de apa cât se poate de curati.

Atomii de hidrogen sunt descompusi în electroni si protoni în zona anodului. Protonii, încarcati cu sarcini electrice pozitive, trec prin membrana spre celalalt electrod, catodul. Electronii, încarcati cu sarcini electrice negative, sunt dirijati printr-un circuit extern înspre catod.

In esenta, acest curent electric aliemnteaza motorul electric al masinii. In zona catodului, protonii reactioneaza cu oxigenul, în timp ce electronii determina formarea a ceea ce se numeste "apa reziduala", în cea mai mare parte evacuata prin teava de esapament.

Aproximativ 60% din energia generata în desfasurarea procesului ajunge sa fie transformata în electricitate.

Tipuri de pile de combustie

Alkaline 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 150-200 °C 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 carbonatialcalini . Catalizatorii sunt otr vi i prin depuneri de metale alcaline, care blocheaz centrele de reac ie sau prin ac iunea direct a unor agen i otr vitori 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 temperaturi de 150-220°C, deasupra temperaturii de fierbere a apei. La aceste temperaturi, chiar în absen a apei, acidul fosforic prezint o bun conductivitate electric . Ca electrozi se folosesc c rbunele poros, hârtie carbonic sau carbur de siliciu, iar catalizatorul este pe baz


ATV 1911de platin . Hidrogenul, care constituie combustibilul trebuie s nu con in CO deoarece acesta otr veste catalizatorul de Pt. D Pilele de tip PAFC sunt deja utilizate în centralele electrice de mare putere de 5 la 20MW. Temperatura mare de utilizare permite si generarea de energie termic în paralel cu cea electric la valori între 50-1000KW. În ultimii ani se testeaz astfel de pile si în propulsarea autovehiculelor. Randamentul global este de cca 80%, din care cca 37-42% corespunde conversiei în energie electric .

Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) - membrana 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 “conductie protonica”. De aici vine si denumirea acestui tip de pila (PEM): de la expresia “proton exchange membrane” sau, de asemenea, de la “polymer 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


ATV 1911variate, 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 60-120°C. 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 metanol 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 30-130°C

Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) - oxizi solizi. Pilele de tip SOFC

sunt operate la temperaturi mari, uzual în jur de 1000° C. Atât electrozii cât si electrolitul sunt solizi, eliminând în totalitate posibilitatea p trunderii electro-litului în structura poroas a electrozilor. Temperatura mare de operare limiteaz mult materialele utilizate pentru elementele pilei. Cercet rile au fost focalizate în realizarea unei pile de form tubular , constând dintr-un suport ceramic poros tubular, înconjurat de anod, electrolit si catod. Forma tubular asigur o mai bun etansare pentru circuitul de gaze decât formele plane. Anodul este realizat din Ni metalic cu oxid de ytriu (Y2O3) stabilizat cu ZrO2, iar catodul este pe baz de perovski i 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 reac ie.


ATV 1911Compara ie între 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. 80°C) ceea ce le confera avantajul unei inertii mici la intrarea in regimul de lucru.


ATV 1911- 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


ATV 19115. Particularitati ale automobilelor electrice

Un autovehicul electric este compus din:

motor electric; controler; baterie.

a. Motorul electric Un autovehicul electric poate fi echipat cu un motor de curent alternativ

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: Tip motor Contacte

alunecatoare Cuplu

specific [Nm/kg]

Cost Intretinere

Randament Complexitate schema

comanda Motor de c.c cu excitatie serie

DA scazut mediu DA scazut scazuta

Motor de c.c cu excitatie separata

DA scazut mediu DA scazut scazuta

Motor de c.c cu magneti permanenti

DA mediu ridicat DA mediu scazuta

Motor de c.a. asincron

NU mediu scazut NU scazut ridicata

Motor de c.c fara perii

NU ridicat ridicat NU ridicat scazuta

Motorul cu reluctanta dublu variabila

NU ridicat scazut NU mediu medie


ATV 1911Dintre 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 roti Una 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 independenta 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.


ATV 1911

Fig 4.1 Principiul constructiv al unui diferential mechanic (M - motor de

tractiune; 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-planetare P 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 moderne se utilizeaza

actionarea 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 unei

transmisii 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.


ATV 1911 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 esentiala:

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.


ATV 1911 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:


ATV 1911

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 curent 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


ATV 1911semiconductoare, fata de unul singur la chopper, de aici rezulta ca pretul unui invertor este sensibil mai ridicat decat al chopper-ului.

c. Baterii

Dupa 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 perspectiva 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 care costa 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;


ATV 1911- 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 autodescarcare (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 este foarte redusa (circa 35 % din capacitatea nominala, dupa 12 luni), iar sensibilitatea lor la descarcari ocazionale outernice, la vibratii si la temperaturi 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 icnarcare – 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 completa

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


ATV 1911a 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-ion

Un rol esen ial în vederea dezvolt rii sistemelor de propulsie electrice îl au

acumulatorii litiu-ion, adev rate "rezervoare" de energie electric . în cadrul joint venture-ului lor, SB LiMotive, Bosch i Samsung SDI i-au unit puterile pentru a dezvolta aceast tehnologie i pentru industria auto. Principalul obiectiv al acestei colabor ri este acela de a m ri de pân la trei ori densitatea energiei în aceste baterii, precum i reducerea costurilor cu dou treimi. Acumulatorii trebuie s fie concepu i astfel încât s ofere o mare rezisten la cicluri i o durat lung de via , garantând în acela i timp o func ionare sigur în toate condi iile de temperatur i de func ionare.

Primul client al companiei SB LiMotive pentru celulele de acumulatori litiu-ion este BMW. Produc torul german de automobile va utiliza celule de acumulatori pentru autovehiculele electrice dezvoltate în prezent în cadrul proiectului "Megacity Vehicle".


ATV 1911

Tabel comparativ pentru baterii

Sistem

Densitate de energie

Wh/kg Wh/l

Putere specifica

W/kg

Nr. de cicluri de incarca -

descarcare

Disponibilitate industriala

Pb-acid 31 – 40 75 – 90 90 – 125 600 – 1000 Da Ni-Cd 45 – 58 80 – 95 190 2000 Da NiMH 55 – 60 100 – 130 175 * Nu

Ni-Fe 50 – 60 80 – 95 110 1000 – 1500 Nu

Na-S 80 – 100 110 – 135 100 – 120 500 Nu Li 80 – 120 100 – 120 70 >200 Nu


ATV 1911d. Utilizarea ultracondensatoarelor

Conectand 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.


ATV 19116. Concluzii

Avantaje 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.


ATV 1911

II. Automobilul hibrid

1. Introducere

Diferenta dintre o masina hibrid si una electrica este aceea ca hibridul este dotat cu doua motoare: unul pe carburant si unul electric. Aceste motoare pot functiona simultan in timpul mersului.

Spre doesebire de un hibrid, masina electrica este dotata cu un singur motor ce functioneaza cu acumulatori care pot fi incarcati cu energie electrica. Masina hibrid reduce emiterea de CO2 pe cand masina electrica nu emite noxe deloc.

De obicei masinile hibrid sunt dotate cu 2 motoare: unul normal ce functioneaza pe combustibil si unul electric care foloseste acumulatori. Cel din urma este folosit de obicei atunci cand masina ruleaza cu o viteza cuprinsa intre 1-80 km/h iar cand aceasta viteza este depasita trecerea se face automat pe motorul ce foloseste combustibil. Aceste conditii de rulare sunt cat se poate de justificate avand in vedere ca zonele cu cel mai inalt grad de poluare sunt orasele iar viteza de deplasare in oras este aproximativ intre 1-80 km/h. Acumulatorii pentru motorul hibrid folosesc 2 surse de incarcare. Prima sursa este priza normala iar a doua sursa este energia data de masina aflata in miscare (un principiu asemanator cu cel al dinamului).

Fiind o tehnologie noua, puteti fi siguri ca va beneficia de imbunatatiri constante din partea constructorilor auto. O imbunatatire recenta fiind chiar sistemul inteligent de utilizare al pistoanelor in functie de viteza de deplasare.


ATV 1911

Unitate de Trac iune

înc rcare baterie

Rezervor

ME Convertor Baterie

Modelul vehiculului electric hibrid

Se consider un vehicul electric hibrid cu structur de tip paralel. In regimul de motor, ma ina electric furnizeaz putere la ro i, fiind alimentat de la baterie. în regim de generator, ea va prelua energia cinetic de la ro i i o va transforma în energie electric stocat în baterie. La puteri mari, când cuplul cerut de ofer TSofer dep te cuplul motorului termic TMT, ma ina electric va furniza de asemenea putere TME la ro i:

TSofer = TMT+ TME

La frânare, ma ina electric va recupera energie, care, la vehiculul clasic, se pierde prin frecare în sistemul de frânare mecanic. Algoritmul de management al energiei are în vedere modul de furnizare a puterii electrice TME, pe baza st rii de înc rcare a bateriei, cu scopul de a folosi motorul termic la un punct de func ionare cât mai eficient.


ATV 1911

2. Solutii

2.1. Toyota Hybrid Synergy Drive

Scurt istoric Hybrid Synergy Drive Cu tehnologia actual , niciun tip de motor sau combustibil nu poate oferi solu ia optim de propulsie, f emisii poluante, dar i f compromis în ce prive te performan a. Fiecare are avantaje i dezavantaje. Îns în aceast dilem Toyota a g sit r spunsul – combinarea avantajelor a dou tipuri de motoare într-unul hibrid integral, care este mai curat, mai eficient i la fel de performant ca unul conven ional. În 1997, Toyota a lansat modelul Prius, primul autovehicul hibrid integral (benzin -electric) produs în serie, i de atunci a vândut peste 2,2 milioane de unit i. În prezent, Prius a ajuns la a III-a genera ie, este i mai eficient, mai curat i mai puternic i de ine suprema ia în categoria ma inilor de serie prietenoase cu mediul. Cum func ioneaz un hibrid integral? Cel mai mare avantaj al tehnologiei hibrid este gestionarea inteligent a fluxurilor de energie provenite de la dou surse de putere diferite, astfel încât fiecare aspect al condusului s fie optimizat. Majoritatea autovehiculelor hibrid folosesc ca surs principal de putere un motor ultra-eficient pe benzin , ajutat de un motor electric f emisii, alimentat de un acumulator. Acesta se reîncarc în timpul condusului, frân rii i deceler rii. Spre deosebire de autovehiculele hibride obi nuite, ma inile hibrid integral Toyota pot folosi fie oricare dintre cele dou motoare (doar electric pentru un condus eco sau doar benzin pentru mai mult putere), fie cele dou surse de putere împreun (electric-benzin pentru un condus eficient). Men inându-se de peste 10 ani lider al tehnologiei hibrid, Toyota a creat o nou genera ie de misionari ai brand-ului. Sunt persoane deschise la nou, cu un pas înaintea tendin elor, con tiente de responsabilitatea pe care noi to i o avem pentru mediul înconjur tor. În acela i timp îns , sunt persoane active i care nu accept compromisuri; ei apreciaz i performan ele dinamice ale unui automobil, puterea, accelera ia i comportamentul agil pe osea. Din aceast perspectiv , sistemul hibrid integral de la Toyota, Hybrid Synergy Drive®, reprezint solu ia ideal . Este un sistem de propulsie revolu ionar, care reu e te un aparent paradox: s ofere o eficien maxim în exploatare (consum redus de combustibil, emisii reduse – atât CO2, dar, spre deosebire de Diesel, i NOx i particule PM), în condi iile unor performan e dinamice de excep ie. În plus, ma inile ofer un confort sporit prin gradul înalt de silen iozitate, dar i prin nivelul superior de echipare.


ATV 1911Acestea sunt premisele sub care a luat na tere noul Auris HSD. O personalitate Eco, ce ofer dinamic f compromisuri. 4

2.2. Toyota Auris HSD

Auris HSD este primul vehicul din clasa sa ce ofera experienta propulsiei integral hibride.

Avansatul sistem integral hibrid al modelului Auris HSD utilizeaz o combina ie inteligent între dou motoare electrice i un motor de 1,8 litri VVT-i pe benzin .

Aceast tehnologie hibrid echipeaz pe plan mondial peste 2 milioane de vehicule Toyota. Ad uga i la aceasta forma optimizat a caroseriei i ve i ob ine un vehicul lider de clas în domeniul performan elor aerodinamice.

Rezultatul este o experien a condusului caracterizat prin putere, eficien i rafinament, caracteristici amplificate de transmisia automat continuu variabil .1,8 capacitatea cilindric a motorului Caracteristici de consum de lider de clas

pute i deplasa pân la 1200 km cu un plin de carburant.Consum mixt 4,0 l/100 km cu jante din aliaj de 17”. Hibrid integral avansat Tehnologia avansat a sistemului hibrid integral permite atingerea unor niveluri superioare de putere i performan pentru fiecare din sursele de propulsie.Bucura i-v de silen iozitatea i impactul minim asupra mediului specifice modului de conducere integral electric. Eficien i putere Motorul compact, ultra-u or, de 1,8 litri, VVT-i, este efficient i puternic. Cuplul maxim este de 142Nm la 4000 rpm. Performan e instantanee Auris dispune de o putere total de 136 DIN cp, accelerând de la 0 la 100 km/h în 11,4 secunde.


ATV 19112.3. TOYOTA PRIUS HYBRID

Din anul 1999 pana in anul 2008 TOYOTA a primit o multime de premii importante castigate multumita motoarelor ecologice fabricate de-a lungul timpului. Motorul folosit de TOYOTA pentru noua PRIUS a castigat premiul “MOTORUL VERDE AL ANULUI” lansand modelul PRIUS HYBRID, printre cele mai ecologice dar si puternice masini de familie create.

TOYOTA HYBRID SYNERGY DRIVE ( numele motorului dat de TOYOTA)

combina un motor de 1,5 litri pe benzina cu un motor electric compact dar puternic, transformand Prius in cea mai curata masina de familie din lume care emite doar 104g/km de dioxid de carbon avand nivelul oficial de consum de 4,3

l/100 km. Modelul poate atinge 100 de km in doar 11 secunde, cu 3 secunde mai putin decat modelul sau anterior.

Sistemul avansat de control hibrid asigura o tinuta de drum exceptionala. Accelerarea este mare, iar zgomotele si vibratiile sunt minime transfomand acest model intr-un hibrid perfect pentru familie. TOYOTA HYBRID SYNERGY DRIVE ofera performanta, eleganta si confortul masinii de familie, dar in acelasi timp ofera performantele ecologice ale unei masini compacte. Noul model este dotat cu un sasiu marit ce permite obtinerea unui spatiu maxim pentru depozitarea bagajelor in interior, nemodificand forma eleganta a masinii. Dotat cu frana de mana electrica controlata prin simpla atingere a unui buton, comenzi audio si de climatizare integrate in volan si comenzi Bluetooth care permit efectuarea legaturilor telefonice cu ajutorul volanului, interiorul fiind tapitat cu piele, noua versiune a celor de la TOYOTA ofera eleganta si confort dar totodata si cai putere. Prius Hybrid va fi mult mai mare decat cea din prezent avand un motor mai puternic si un sistem mai solid.


ATV 19113. Motorul viitorului: pila de combustie

In timp ce politicienii se chinuiesc sa “salveze lumea” prin limitarea nivelurilor de emisii poluante (intre care se numara si gazele de esapament ale masinilor), oamenii de stiinta s-au mobilizat exemplar si au creat o sursa de propulsie alternativa, aproape complet nepoluanta: pila de combustie. Marii producatori de automobile investesc sume uriase in “motorul viitorului”, dar, in paralel, promoveaza si dezvoltarea sistemelor hibride - un motor cu ardere interna “clasic” (ultraperfectionat) si un motor electric, care par a cistiga tot mai mult teren. Desi promitatoare din punctul de vedere al reducerii poluarii, sistemele hibride nu pot, nici in varianta cea mai perfectionata, imaginabila, sa elimine complet problema emisiilor poluante, asa cum fac pilele de combustie. Din acest motiv, motorul hibrid este privit ca un fel de tehnologie “interimara”, un pas premergator introducerii “motorului perfect”, ecologic si cel putin la fel de puternic ca “stramosii” sai. Vehiculele actionate de pile de combustie folosesc hidrogen, unicul produs “rezidual” fiind apa, de o puritate care o face apta consumului uman. Principiul este simplu: hidrogenul este combinat cu oxigenul prin intermediul unui catalizator, care converteste energia chimica in energie electrica, aceasta din urma asigurind alimentarea unui motor, evident, electric. O problema majora: reteaua de alimentare. Din pacate, costul urias al construirii unei noi infrastructuri necesare distribuirii in masa a hidrogenului (statii de “hidrogenarie” care sa inlocuiasca actualele benzinarii) reprezinta un mare obstacol in calea progresului. Pina cind hidrogenul va fi disponibil “la pompa”, el poate fi produs chiar in masina, din combustibili fosili precum benzina sau motorina. Acest proces este si el poluant, dar doar la jumatate din valoarea celui mai putin poluant motor classic. Alte probleme care treneaza introducerea pilelor de combustie sint de ordin tehnic si operational, dar si psihologic. Spre exemplu, cea mai refractara piata la motoarele ecologice este cea americana, una din cele mai mari din lume. Americanul dispune de benzina ieftina la discretie, nevazind utilitatea unui vehicul care consuma mai putin combustibil, sau altceva decit benzina.Schimbarea acestei mentalitati va fi un proces greoi si indelungat. Cu toate acestea, cei mai interesati, politic si economic, de “propulsia alternativa” sint americanii si japonezii. Aproape toate centrele de cercetare americane lucreaza la o versiune proprie, despre care spera ca va deveni standardul in domeniu, sau, cel putin, unul dintre sistemele cele mai raspindite.

Pilele de combustibil cu cel mai mare poten ial pentru aplica iile industriei auto sunt Pilele de Combustibil cu Membrane cu Schimb Protonic (PCMSP). Avantajul principal al PCMSP este capacitatea sa de a opera la temperaturi relativ sc zute (care reduce timpul de pornire). Electrozii pilei sunt realiza i din grafit i sunt amplasa i astfel, pentru a permite o trecere u oar a reactan ilor,


ATV 1911strând contactul electric cu electrolitul. La anod, hidrogenul este disociat

catalitic, pentru a p si ionii de hidrogen. Un circuit extern conduce electronii, în timp ce ionii pozitivi migreaz prin membrana electrolitic spre catod. Acolo ei se combin cu oxigenul i electronii din circuitul extern pentru a form ap .

Combustibilul preferat al pilelor de combustibil este hidrogenul, din cauza urin ei cu care elementul poate forma ioni. Acest gaz este extrem de

combustibil i are un con inut ridicat de energie. Cu toate acestea, densitatea sc zut a hidrogenului a provocat o competi ie tehnologic la proiectarea sistemelor de stocare pe baz de hidrogen, folosite la bordul automobilelor. La aceia i temperatur i presiune a camerei, pentru a stoca o cantitate echivalent de energie, ce se con ine într-un rezervor tipic de benzin , ar fi nevoie de un rezervor de hidrogen cu un volum de aproximativ 800 de ori mai mare. Cu toate acestea, au fost elaborate trei solu ii principale de stocare a hidrogenului: Compresie – gazul este stocat în butelii cu o presiune de pân la 7000 de ori mai mari decât cea atmosferic ; Sisteme criogenice – acestea men in o temperatur sc zut , necesar lichefierii hidrogenului (-253° C); i hidruri de metal – aliaje speciale din metal, ce absorb hidrogenul atunci când este sub presiune.

O abordare care ar evita problemele de stocare a hidrogenului este de a reforma, la bordul ma inii, un combustibil bogat în hidrogen, generând astfel gazul necesar atunci când este nevoie. Deoarece reformatorii au nevoie de un timp rapid de r spuns, ar fi prefera i combustibili ce pot fi prelucra i la temperaturi relativ sc zute. Dintre combustibilii lichizi, metanolul este unic, datorit faptului c poate fi reformat la 260° C, comparativ cu 600-900° C necesare benzinei, etanolului, gazului natural i a propanului. Prin urmare, metanolul este considerat cel mai important candidat la reformarea combustibilului la bordul automobilului. Cu toate acestea, în cazul în care hidrogenul va fi adoptat pe scar larg , realimentarea va deveni un proces foarte diferit. De i realimentarea cu hidrogen este înc în curs de dezvoltare, acesta oricum implic utilizarea unei conexiuni flexibile între aparatul distribuitor i automobil, unde se creeaz un sistem sigilat.

Având în vedere c automobilele cu hidrogen reprezint ceva nou pentru industria auto, exist pu ine sta ii de realimentare cu hidrogen în toat lumea. Cu toate acestea, num rul sta iilor este în cre tere, odat cu apari ia programelor de demonstra ie a vehiculelor cu pile de combustibil, desf urate în S.U.A., Europa i Orientul Îndep rtat. Prin urmare, tot mai multe sta ii cu hidrogen (unele din ele fiind accesibile publicului larg) sunt construite în ora e din toat Europa, fiind deja prezente în Amsterdam, Barcelona, Hamburg, Londra, Luxemburg, Madrid, Porto, Reykjavik, Stockholm i Stuttgart.


ATV 1911Automobilele cu pile de combustibil sunt mult mai eficiente din punct de vedere a energiei, comparativ cu cele conven ionale – sistemele cu propulsie electric sunt mult mai potrivite pentru opera iile de oprire-pornire i practic nu utilizeaz deloc energie, atunci când sta ioneaz . De asemenea, frânele regenerative îmbun esc eficien a consumului de combustibil cu pân la 20%. Dac la producerea hidrogenului se utilizeaz energie regenerabil , atunci ciclul de via al emisiilor de gaze cu efect de ser sunt practic zero. Cu excep ia vaporilor de ap , acesta este un adev rat automobil cu zero emisii.

Estim rile bazate pe unele modele sugereaz un ciclu de via foarte sc zut a emisiilor reglementate, asociate cu automobilele cu pile de combustibil. Emisiile reglementate din Marea Britanie a vehiculelor cu pile de combustibil pe baz de hidrogen se anticipeaz a fi semnificativ mai mici decât a celor pe benzin , emisiile NOx fiind reduse cu pân la 70%. Ca i în cazul emisiilor de gaze cu efect de ser , în cazul în care este utilizat energia regenerabil pentru producerea hidrogenului ca combustibil, atunci emisiile reglementate sunt din nou egale cu zero.

Deoarece automobilele cu pile de combustibil nu au intrat înc în produc ia comercial , nimeni nu poate prezice cu certitudine cât de mult va costa între inerea unui automobil cu pile de combustibil, dar este foarte probabil ca pre ul de achizi ie a acestora s fie mult mai mare, decât a celor pe benzin sau diesel (pân la 100%). Cu toate acestea, pre ul va sc dea, dac va fi produs un num r suficient de automobile cu pile de combustibil.

Prezicerea costurilor de între inere este dificil din cauza incertitudinilor cu privire la metoda de produc ie a cererii de combustibil pe baz de hidrogen. Cel pu in, costurile mari de achizi ie ar putea fi compensate de costurile mai mici a carburan ilor (datorit economiei mare de combustibil a automobilelor cu pile de combustibil). De asemenea, costurile de service, între inere i repara ie pentru ma inile cu pile de combustibil r mân a fi necunoscute, de i acestea se prognozeaz de a fi mai mici, decât la ma inile conven ionale, din cauza num rului redus de piese în mi care într-un motor cu pile de combustibil.

În prezent, nici un automobil alimentat cu pile de combustibil nu este produs în serie. Cu toate acestea, situa ia ar putea s se schimbe dramatic în urm torii ani. Pe str zile din Marea Britanie, deja sunt utilizate vehicule demonstrative cu pile de combustibil, printre acestea fiind câteva cab-uri (taxi-uri) negre i autobuze Mercedes-Benz Citaro. Autobuzele au fost folosite ca parte a programului european „Transport Urban mai Curat pentru Europa” (TUCE), care a durat din 2003 pân în 2007 i a demonstrat cu succes poten ialul hidrogenului, odat cu cele 30 de autobuze cu pile de combustibil din întreaga Europ .


ATV 1911La nivel mondial, au fost dezvoltate câteva sute de prototipuri auto cu pile de combustibil, iar câteva dintre acestea se folosesc de unele companii i agen ii guvernamentale în flotele sale de automobile – acestea includ câteva exemplare Mercedes-Benz Clasa A F-Cell (Berlin) i Honda FCX Clarity (California). Multe din acestea folosesc un motor cu pile de combustibil dezvoltat de compania Ballard Power Systems din Canada, una dintre primele companii ce au realizat poten ialul tehnologiei pilelor de combustibil. Totu i, aproape fiecare produc tor de automobile are în programul s u de dezvoltare i un model cu pile de combustie. Singura întrebare r mâne a fi cât timp va dura, înainte ca prima ma in cu pile de combustibil s apar într-un showroom.

În Marea Britanie, spre exemplu, „London Hydrogen Partnership” coordoneaz activit ile de parteneriat pentru a explora unele barieri asociate cu adoptarea vehiculelor cu pile de combustibil. Parteneriatul cerceteaz condi iile necesare pentru o infrastructur de realimentare cu hidrogen în Londra, precum i costurile de investiga ie i timpul necesar punerii în aplicare în capital a vehiculelor cu pile de combustibil.

(În imaginea de mai jos: Honda FCX Clarity, model al anului 2010)

Automobile cu sisteme de propulsie alternative

Documents

Transcript of Automobile cu sisteme de propulsie alternative