AUTOMOBILE HIBRIDE

    Automobilele hibride sunt încă în centrul atenției în primul rând datorită tehnologiei avansate utilizată pentru propulsoare. Un automobil cu propulsie hibridă, datorită consumului scăzut de combustibil reduc substanțial costul total al posesiei (TCO). Mai mult, datorită nivelului de emisii poluante care de cele mai multe ori este superior reglementărilor în vigoare, cumpărătorii de automobile electrice sunt ajutați de stat prin acordarea unei prime la achiziție.

Foto: Cadillac Escalade HybridSursa: GM

    În momentul de față automobilele hibride reprezintă cel mai bun compromis între un automobil cu propulsie clasică (benzină sau diesel) și unul electric, din punct de vedere al performațelor dinamice și de consum. Putem spune că reprezintă o etapă intermediară a evoluției către automobilele cu propulsia complet electrică.

  Prius este primul automobil „full” hibrid produs în masă. Automobilul se remarcă prin utilizarea a două motoare, unul termic și unul electric, propulsia în mod termic, electric sau combinat fiind setată în funcție de regimul de deplasare.

Foto: Toyota Prius – prima generațieSursa: Toyota

    Automobilul este un sedan ce poate transporta cinci adulți, cu caroserie cu patru uși, performanțele dinamice, de confort și maniabilitatea fiind similare cu cele ale unui automobil convențional cu propulsie termică. Siguranța pasivă și activă este asigurată de sistemul de frânare prevăzut cu ABS și EBD respectiv airbag-uri pentru conducător și pasagerul din față.

Avantajele propulsiei hibride

    Numit THS sistemul de propulsie de la Toyota poate rula în mod termic (utilizând motorul cu ardere internă pe ciclu Atkinson), electric sau combinat. Puterea furnizată de fiecare motor (electric sau termic) este atent monitorizata de sistemele electronice de control pentru a plasa punctul de funcționare al acestora în zonele cu randament ridicat.

 

Foto: Toyota Prius generația I – componente.Sursa: Toyota

    Datorită faptului că Prius poate rula, în anumite condiții de deplasare, exclusiv în mod electric emisiile poluante sunt zero. Acest beneficiu aduce un aport semnificativ mediului din marile aglomerări urbane cu trafic intens. Comparativ cu un automobil ce este echipat cu un motor termic pe benzină, cu aceeași densitate de putere, Prius emite cu aproximativ 40% mai puține grame de CO2 pentru fiecare kilometru parcurs. De asemenea, pe ciclul combinat, consumul de combustibil se situează în jurul valorii de 5.1 l/100 km.

    Prima generație de Prius, din punct de vedere al emisiilor poluante se situa la nivelul anilor 2005! Automobilul testat după standardele europene în vigoare emite: 0.63 g/km de monoxid de carbon (CO2), 0.05 g/km de hidrocarburi (HC) și 0.05 g/km de oxizi de azot (NOx).

THS

    Nucleul sistemului de propulsie de pe Prius este reprezentate de THS. Acest sistem integrat conține un motor termic cu randament ridicat de 1.5 litri, un motor electric, un generator electric și un mecanism planetar cu roți dințate. Tot acest sistem, datorită compactității, poate fi utilizat cu ușurință în spațiul ocupat de către un motor termic și o transmisie.

    Mecanismul planetar cu roti dințate are rol de cutie de viteze cu variație continuă. Prin varierea turației celor 3 elemente componente (roata solară, platoul port-sateliți și coroană) se obține o variație a vitezei de ieșire similară cu cea a unui CVT.

Foto: Mecanism planetar cu roți dințate (PSD) – Toyota Prius CVTSursa: Wikimedia Commons

    Motorul cu ardere internă este conectat la platoul port-sateliți ai mecanismului planetar. Generatorul electric (MG1) este legat la roata solară iar motorul electric (MG2) este rigidizat la coroana dințată a mecanismului planetar.

Observație: Cele doua mașini electrice MG1 și MG2 pot funcționa atât în regim de motor cât și în regim degenerator! Regimul de funcționare depinde de starea de deplasare a automobilului (viteză redusă, accelerație puternica, frânare, etc.)

Foto: Componentele sistemului THS Toyota Prius

    Cuplul de ieșire al coroanei este transmis printr-un lanț la un mecanism reductor cu angrenare simplă și apoi la diferențial unde este amplificat. Mecanismul planetar cu roti dințate este numit și PSD (Power Split Device) deoarece se comporta că un dispozitiv de divizare a puterii. Avantajele acestui sistem mecanic compus din mecanismul planetar, angrenaj simplu și diferențial este reprezentat de fiabilitate și robustețe. Toate componentele au poziții fixe, una în raport cu cealaltă, mișcare fiind doar de rotație, în jurul axelor. Astfel se elimină posibilele defecte și probleme ce pot apărea în cazul utilizării unei cutii CVT clasice sau a uneia automate.

Motorul termic

    Propulsorul principal al automobilului este motorul cu ardere internă 1NZ-FXE, cu ciclu Atkinson, de 1.5 litri, cu patru cilindrii în linie. Acesta este prevăzut cu distribuție variabilă inteligentă VVT-i și dezvoltă o putere de 72 CP la 4500 rot/min și un cuplu de 115 Nm la 4200 rot/min.

Foto: Toyota Prius - caracteristica de cuplu și de putere a motorului termic 1NZ-FXE

    Sistemul inteligent de distribuție permite variația continuă a fazelor supapelor de admisie în funcție de regimul de funcționare al motorului, ceea ce conferă motorului performanțe dinamice remarcabile și un consum scăzut de combustibil.

    Limitarea turației maxime a motorului la 4500 rot/min permite utilizarea materialelor ușoare pentru componente, îmbunătățește randamentul termic și reduce pierderile prin frecare. Pentru reducerea greutății automobilului blocul motor și chiulasa s-au fabricat din aliaj de aluminiu iar galeria de evacuare din oțel inoxidabil.

    Posibilitatea de a utiliza MG1 pe post de demaror/alternator iar MG2 ca generator în regim de frânare a permis o reducere în plus a masei totale a motorului prin eliminarea alternatorului și a demarorului clasic.

    Controlul îmbogățirii amestecului aer-carburant se realizează prin intermediul unei clapete obturatoare controlată electronic. Pentru reducerea emisiilor poluante sistemul de alimentare cu combustibil este etanș iar gazele de evacuare sunt tratate de un convertor catalitic pe trei căi (TWC).

MG1 (Generatorul)

Mașina electrică MG1 are trei funcții:

Genera tor de curent electric – în acest caz este antrenată de motorul termic și produce energie electrică ce este utilizată pentru alimentarea motorului de tracțiune MG2 sau pentru încărcarea bateriilor. 

 

 

 

Starter/demaror – este utilizat la pornirea motorului termic.

 

 

 

Motor electric –  este utilizat ca variator de turație pentru mecanismul planetar; prin modificarea turației roții solare se variază turația coroanei mecanismului planetar deci viteza automobilului.

 

 

 

MG2 (Motorul electric)

    Motorul electric de tracțiune îndeplinește mai multe funcții: propulsează automobilul în domeniul vitezelor și a sarcinilor reduse, asistă motorul termic la tracțiune cînd acesta funcționează în domeniul sarcinilor medii și mari, produce energie electrică când automobilul se afla în regim de frânare.

Motor electric – utilizat pentru deplasarea înainte și înapoi a automobilului.

 

 

 

Generator electric – utilizat în regimul de frânare a automobilului.

 

 

 

    Motorul electric de curent alternativ produce o putere maxima constanta de 45 CP între 1040 și 5600 rot/min. Prin intermediul mecanismului planetar, a reductorului simplu și a diferențialului, motorul este conectat tot timpul la rotile punții față. Cuplul maxim de 350 Nm este furnizat la turații joase (aproximativ 400 rot/min) ceea ce-i permite automobilului să demareze și să fie propulsat exclusiv în mod electric.

    Mersul înapoi al automobilului este asigurat tot de motorul electric prin inversarea sensului de rotație al acestuia. Selectarea modului de mers înapoi se face acționând un levier de mici dimensiuni aflat în vecinătatea volanului.

Cutia automată cu variație continuă

    Practic cutia de viteze este formată din lanțul metalic, mecanismul planetare și reductorul fix. Controlul electronic al puterii celor trei motoare/generatoare (MG1, MG2 și motorul termic) permite varierea turației de ieșire din transmisie deci implicit a vitezei automobilului. Contactul permanent al 

elementelor  transmisiei cu roțile motoare deci lipsa unui ambreiaj sau a unui convertizor de cuplu a permis obținerea de accelerațiilor line, fără șocuri și îmbunătățirea timpului de răspuns la apăsarea pedalei de accelerație.

    Transmisia este controlată prin intermediul unui levier de selecție montat pe coloana de direcție ce cuprinde următoarele stări/programe:

Foto: Toyota Prius – pozițiile levierului selector de programe (P – Parcare/Park, R – Mers înapoi/Reverse,N – Neutru/Neutral, D – Condus/Drive și B – Încetinire/Braking)

    În poziția B motorul termic este pornit și utilizat în regim de frânare pentru încetinirea automobilului la coborârea unor pante lungi (funcție similară cu a unui „retarder” de pe autocare).

Bateriile

    Bateriile sunt de tipul nichel – hidrură metalică (Ni-MH), conțin 38 de module individuale ce însumat produc 274 V. Pachetul de baterii este montat pe puntea din spate, după scaunele pasagerilor. Această amplasarea permite utilizarea optimă a spațiului din interiorul automobilului pentru sporirea confortului pasagerilor.

    Datorita tensiunilor și a curenților mari este interzisă intervenția persoanelor neautorizate asupra bateriilor. Bateriile nu se repara iar intervenția se poate realiza numai de către personalul Toyota specializat în acest sens. Pentru a proteja ocupanții automobilului de o eventuală electrocutare bateria este izolată, în cazul unui accident sau defecțiune, de restul automobilului prin intermediul unui releu de siguranță.

Invertorul AC-DC

    Rolul invertorului este de a transforma curentul continuu (CC) produs de baterie în curent alternativ (CA) necesar pentru alimentarea mașinilor electrice. De asemenea transformă din CA în CC, pentru reîncărcarea bateriilor, energia electrică produsă de una din cele doua mașini electrice.

 

Foto: Toyota Prius – invertor.Sursa: Toyota

    Invertorului mai conține și un convertor de CC pentru transformarea tensiunii de 274 V în tensiune de 12 V necesară pentru alimentarea echipamentelor auxiliare ale automobilului (iluminare, sistem audio, aer condiționat, etc.)

Regimurile de funcționare

    Modul de funcționare a grupului moto-propulsor (propulsie electrică sau hibridă) sau regimul de funcționare al mașinilor electrice (motor sau generator) poate fi exemplificat prin dependenta turațiilor elementelor mecanismului planetar (solară, platou sateliți și coroană).

Contact

    Acest mod corespunde cu poziția „contact” a unui automobil clasic, cu motor termic. În acest mod viteza automobilului este nulă dar sistemul electric este „armat”, bateria este conectată, prin intermediul releului de siguranță, la invertor.

Foto: Toyota Prius – contact

Demarajul automobilului (mod electric)

    După punerea contactului, dacă conducătorul auto apasă pedala de accelerație, automobilul începe să se deplaseze fiind propulsat de MG2 care funcționează în regim de motor electric. În acest mod   MG1 se va roti în sensul opus de rotație al MG1 deoarece motorul termic, fiind oprit, va imobiliza platoul sateliților din mecanismul planetar.

Foto: Toyota Prius – mod electric

Pornirea motorului termic

    În modul de propulsie electric dacă viteza automobilului depășește o anumită limită (aprox. 50 km/h) motorul termic este pornit utilizând MG1. Invertorul va alimenta MG1 care funcționează în regim de motor. Sensul de rotație al lui MG1 și MG2 va fi același ceea ce va antrena motorul termic.

Foto: Toyota Prius – demaraj motor termic

Accelerație ușoară

    După pornirea motorului termic dacă conducătorul dorește o accelerație ușoară automobilului, motorul termic își va mări turația peste valoarea lui MG2. În acest caz MG1 va fi antrenată fiind în regim de generator electric. Energia electrică produsă de MG1 este utilizată pentru MG2.

Foto: Toyota Prius – accelerație ușoară

Deplasare cu viteza constanta medie

    În acest mod de funcționare automobilul este propulsat hibrid, cu motorul termic și cel electric MG2. Generatorul MG1 produce energie electrică pentru alimentarea MG2.

Foto: Toyota Prius – deplasare cu viteză constantă medie

Accelerație puternică

    În cazul în care se dorește o accelerație puternică a automobilului, turația motorului termic crește. Automobilul este propulsat în mod hibrid (electric și termic). MG1 va produce energie electrica pentru a alimenta MG2. În plus pentru a obține un cuplu maxim din MG2 bateria va furniza suplimentar energia electrică necesară.

Foto: Toyota Prius – accelerație puternică

Deplasare cu viteză constantă mare

    Pentru o anumită turație a motorului termic, pentru a putea mări turația lui MG2, MG1 va fi  blocat (turație zero). În acest regim de deplasare, automobilul este propulsat în mod hibrid, MG2 fiind alimentat cu energie electrică de la baterii.

Foto: Toyota Prius – deplasare cu viteză constantă mare

Viteză maximă

    Pentru aceeași turație a motorului termic, MG2 va avea o turație mai mare dacă MG1 este în regim de motor și rotit în sens invers. Automobilul este propulsat hibrid (electric + termic), bateria alimentând cu energie electrică atât motorul electric MG2 cât și MG1.

Foto: Toyota Prius – deplasare cu viteza maximă

Frânare recuperativă

    Când conducătorul auto acționează pedala de frână, cu scopul de a reduce viteza automobilului, motorul termic este oprit. În acest mod MG2 va funcționa în regim de generator electric, fiind antrenat de rotile automobilului (frână de motor). Energia produsa de MG2 este utilizată pentru încărcarea bateriilor. MG1 nu va fi alimentat, și se va roti în sens invers față de MG2 datorită turației zero a motorului termic.

Foto: Toyota Prius – frânare cu recuperare de energie

    Atentie ! Frânarea utilizând MG2 în regim de generator nu înlocuiește sistemul de frânare hidraulic, clasic. În cazul în care conducătorul auto dorește o frânare puternică sistemul hidraulic intervine precum la un automobil convențional. Pentru a determina intensitatea frânării deci implicit necesitatea activării sistemului hidraulic, calculatorul sistemului de frânare utilizează informația provenita de la un senzor de poziție montat pe pedala de frână. Poziția pedalei de frână se traduce în forța necesară de frânare care decide momentul activării sistemului de frânare hidraulic, clasic.

Mersul înapoi

    În acest mod automobilul este propulsat în mod exclusiv electric, MG2 fiind în regim de motor electric dar cu sens de rotație opus față de modul „Drive”. Motorul termic este oprit iar MG1 se va roti liber. Energia electrică pentru MG2 este furnizată de baterie.

Foto: Toyota Prius – mers înapoi

    Sistemul THS se face remarcat datorită modului simplu și eficient prin care se utilizează doua mașini electrice și un motor termic pentru propulsarea unui automobil în vederea minimizării consumului de combustibil, păstrând în același timp performanțele dinamice ale automobilului la un nivel acceptabil.

    Optimizarea acestui sistem a fost continua, următoarele generații de Toyota Prius fiind mai avansate din punct de vedere al performanțelor. Detalii privind diferențele și similitudinile ultimelor generații de Toyota Prius se vor dezvolta în articole separate.