Sisteme de propulsie alternative

De ce sa utilizam sisteme de propulsie alternative?

In Uniunea Europeana (UE) transportul este responsabil pentru aproximativ 21% din emisiile de gaze cu efect de sera, care contribuie la incalzirea globala. Intre 1990 si 2003, cand emisiile de gaze cu efect de sera inregistrau in UE o reducere generala, cota de piata a transportului a crescut cu circa 24%. In consecinta, reducerea emisiilor de gaze cu efect de sera provenite din transport ar putea contribui semnificativ la indeplinirea sarcinilor UE definite prin Protocolul de la Kyoto. In sectorul de transport din UE petrolul brut este principala sursa de energie, asigurand 98% din totalul combustibililor. In 2002 contributia combustibililor alternativi a fost de 2%, iar a biocombustibililor de numai 0,3% (in prezent, la nivelul UE, consumul de biocombustibili in sectorul de transport este de 80% biodiesel si 20% bioetanol). Cu toate acestea, in timpul ultimilor cativa ani, contributia biocombustibililor a crescut datorita implementarii directivei pentru biocombustibili in cateva state membre.

UE incurajeaza biocombustibilii cu scopul de a reduce emisiile de gaze cu efect de sera, sprijinind decarbonizarea combustibililor pentru transport, diversificarea surselor de alimentare cu combustibil, oferind noi oportunitati de venit in zonele rurale si dezvoltand inlocuirea pe termen lung a combustibililor fosili. In 2003 Parlamentul si Consiliul European au adoptat Directiva 2003/30/EC ce vizeaza promovarea utilizarii biocombustibililor in transport. Aceasta Directiva cere statelor membre ca in 2005 sa inlocuiasca consumul de benzina si motorina cu 2% biocombustibil, desi se admit abateri atunci cand acestea se justifica.

Cu toate acestea, soferii pot reduce considerabil aceste impacturi, prin parcurgerea unor pasi simpli, in jurul ideii de a alege vehicule mai nepoluante sau a conduce mai eficient. In majoritatea cazurilor, aceste masuri vor conduce la economii financiare precum si la beneficii asupra mediului inconjurator.

1.Vehiculele hibrid electrice

Un automobil hibrid combina motorul acumulator cu un motor cu ardere interna. Vehiculele hibride se vand ca super performante comparativ cu echivalentele lor non hibride si pot sa aduca economii importante la costurile cu combustibilii. In majoritatea statelor membre ale UE vehiculele hibride beneficiaza de granturi pentru achizitie si/sau de taxe reduse. Aceste vehicule sunt importante din punct de vedere financiar pentru utilizatorii care parcurg multi kilometri.

Vehiculele hibride sunt disponibile de asemenea in sectorul SUV deoarece este simplu de construit un vehicul pe patru roti propulsat hibrid (osie actionata cu combustie interna ICE si electric) cu regenerare pe traseu. Nu este necesar un efort de torsiune suplimentar la mecanismul de actionare, iar controlul acestui tip de hibrid este simplu. Datorita torsiunii mari a motoarelor electrice, aceste vehicule sunt usor de condus in mediile urbane si pe orice drumuri. Vehiculele numai electrice pot suferi in ce priveste durata de viata limitata. Utilizate la temperaturi joase, capacitatea bateriilor neincalzite este mult mai redusa (in functie de tipul bateriei).

Vehiculele Electrice Hibride se produc in trei variante:

• de serie – nu au conectare mecanica intre motorul cu ardere interna si roti• paralele – energie cinetica suplimentara, data de motorul electric si cel cu ardere interna• combinate – permit incarcarea bateriilor in paralel cu contributia la propulsive

Conceptele de serie sunt mai bune doar pentru operarea oprire/pornire. Hibridele paralele necesita algoritmi sofisticati de control dar au o mai buna eficienta la sarcina completa de operare. In cazul conceptelor ne seriale este posibila ascunderea unei cantitati mici de energie electrica si stocari de energie, sub eticheta stralucitoare a hibridelor. Asadar, conceptele hibride paralele pot fi numite ‘de compromis’ nefiind mai mult decat conceptul oprire/pornire imbunatatit, fara abilitatea de a functiona cu energie electrica. Hibridele pentru priza incearca sa imbunatateasca aceste concepte, care sa permita functionarea mai indelungata cu energie electrica. Conceptele foarte simple dar ineficiente au sistemul de actionare pe patru roti cu o osie actionata de motorul cu combustie interna si o alta osie actionata electric.Puteti alege dintre variantele sintetizate in tabelul urmator:

Tip Automobil Sarcini mici Sarcini mariOprire/Pornire

(50km/zi)Baterie electricaHibrid de serie

Baterie electricaHibrid de serie

Hibrid de serie

Operare mixtaHibrid de serieHibrid paralel

Hibrid paralel

Distante lungi(500km/zi)

Hibrid usor Hibrid usorEnergie electrica de la

recuperatoare

• Hibride paralele puternice, indeosebi Hibridele de priza, sunt concepte versatile, iar

dimensiunea bateriei poate fi scalata in functie de ciclul de operare.• Decizia de a opta pentru bateria electrica depinde de abilitatea de a o reincarca frecvent,pentru a permite cicluri de operare constante, adica o durata lunga de servici a bateriei.8.2 RecomandariSistemele electrice moderne nu necesita intretinere fizica. Bateriile pot fi echilibrate din cand incand, iar sistemul de racire curatat.

Oferta de vehicule existente in Romania

Vehiculele Electrice Hibride (HEV) sunt oferite de:

Honda (Civic IMA) Toyota (Prius) Lexus (RX400h, GS450h)

Citroen si Peugeot vor utiliza in viitor un concept paralel cu motorul diesel. Vor urma alte licentieri Toyota Synergy Drive System precum Nissan.

In sectorul de transport public din Europa pot fi comandate minibuze cu sasiul IVECO Daily sau Mercedes Sprinter. De asemenea Solaris din Polonia ofera autobuze cu sistem hibrid paralel fabricate de Allison in SUA. Wright ofera autobuze hibride electrice operatorului de transport din Londra (Transport for London).

Beneficii de mediu oferite de aceste vehicule

La 80g/km Honda Insight (1994-2004) are cel mai scazut nivel de emisii de CO2 dintre toate automobilele disponibile comercializate cu motor cu ardere interna (ICE) din lume, iar la 104g/km Prius are cel mai scazut nivel al volumului produs de oricare automobil cu ICE. De aceea este lesne de inteles de ce vehiculele hibride au creat o adevarata furtuna in lumea mediului si a automobilelor in ultimii 8 ani. Intr-adevar emisiile reduse ale automobilului Prius sunt deosebit de impresionante daca se are in vedere faptul ca este un automobil pentru o familie cu 5 locuri si totusi are emisiile mai reduse decat automobilele diesel mici cum sunt Toyota Yaris, Citroen C2 si VW Lupo. De asemenea majoritatea modelelor prezinta un nivel al emisiilor fata de calitatea aerului mult sub cel mai recent standard european de emisii ‚Euro IV’.

Tehnologia utilizata la aceste vehicule

Vehiculele Electrice Hibride sunt fabricate in trei concepte:

in serie, ne avand nici o conexiune mecanica a ICE la roti paralel, adaugand momentul mecanic al motorului electric si ICE combinat, permitand incarcarea bateriilor si contribuind la propulsie.

Conceptele in serie sunt mai bune numai pentru operarea oprire&pornire. Hibridele paralele necesita algoritmi de control sofisticati, dar au o mai buna eficienta in operarea la sarcina completa. In cazul conceptelor in serie nu este posibila neglijarea cantitatii mici a energiei electrice de tractiune si stocarile de energie. Astfel, conceptele hibride paralele pot fi numite asa zise ‚blande’, nefiind cu mult peste conceptele oprire&pronire imbunatatite, fara abilitatea de a fi conduse electric. Hibridele cu fisa de conectare incearca sa imbunatateasca acele concepte care permit operarea exclusiv eletcrica mai indelungata.Conceptele foarte simple dar ineficiente au actionarea pe patru roti cu o osie pe ICE si alta actionata electric.

Datorita torsiunii mari a motoarelor electrice, aceste vehicule sunt usor de condus in mediile urbane si pe orice drumuri. Vehiculele numai electrice pot suferi in ce priveste durata de viata limitata. Utilizate la temperaturi joase, capacitatea bateriilor neincalzite este mult mai redusa (in functie de tipul bateriei).

Datorita motorului cu combustie interna (ICE) „flegmatizat” (din ratiuni de eficienta) si a schemei de control, zgomotul motorului nu este determinat de pozitia supapei de reglare a debitului.

Puncte forte oferite de vehiculele hibrid electrice sunt:

economii de combustibil la opririle si pornirile din traficexistenta posibilitatii de convertire a conceptelor ICE (micro hibride)utilizarea aceleiasi infrastructuri de realimentare (cu exceptia hibridelor cu fisa de conectare)

Puncte slabe

oferta limitata de vehicule OEM (in unele segmente) ,cost initial ridicat al vehiculelor

Provocari

existenta produselor OEM (indeosebi in sectorul automobilelor urbane) mediu stabil de reglementare si fiscal (zonele cu emisii zero sunt in favoarea vehiculelor

hibride cu fisa de conectare) dezvoltarea tehnica a motoarelor cu ardere prin compresie (eficienta)

Mandria de a conduce vehicule hibride

Vehiculul meu HEV economiseste 25% combustibil prin operare pornire-oprire,reducand astfel emisiile de CO2 utilizand chiar diesel fosil. Cu un amestec fix debiocombustibil nu numai ca reduc incalzirea globala cu inca 35% minim dar deasemenea am nevoie cu 25% mai putin teren arabil, apa, etc., pentru producerea debiocombustibil, comparativ cu vehiculele non HEV.Vehiculele HEV cu fise (priza) sunt de asemenea capabile sa utilizeze energieregenerabila adusa la retea. Acest lucru deschide resursele catre o larga sursa dedeseuri si instalatii ne alimentare.EMV se afla in testare, pentru ca campurile electrice si magnetice sa fiecontrolate si protejate daca va fi posibil. Contrar uscatoarelor de par, a mixerelor saua bormasinilor, masinile electrice sunt mult mai departe de capul si corpul meu.Vehiculele HEV cu alimentare paralela sau separata au doua sistemeindependente de alimentare astfel incat nu sunt probleme la pornire.Eficienta mai ridicata datorata regenerarii energiei de franare prelungeste intervalulde realimentare ceea ce constituie un efect secundar remarcabil. Motorul cu ardereinterna ICE (cu ciclul Miller/Atkinson) are o eficienta globala mai mare chiar si laurcare. Motoarele ICE functioneaza cu RPM optim, economisind astfel si in zoneleinter urbane.Vehiculul meu HEV nu va avea probleme in zonele cu emisii controlate deoarece prezinta zero emisii. Astfel valoare de revanzare va fi ridicata.

2. Vehiculele dotate cu baterie si functionare electrica

Asa numitele vehicule electrice pe baterie BEV (Battery Electric Vehicles) sunt adecvate pentru vehicule de interior, subterane si de cartier, etc. Datorita andurantei scazute a pachetului greu de acumulatori (in principal NiMh sau cu placi de plumb si acid sulfuric) nu este posibilia utilizarea acestora de catre automobile private sau cele cu rulaj zilnic mare. Ultimele realizari, cum sunt bateriile Li-Ion si extensii de serie prin pilele de combustie, au reintrodus conceptul, putand fi explorate noi domenii de aplicatie.

Principalele doua metode de alimentare ale acestor vehicule:

• incarcare conductiva (priza)• incarcare inductiva.

Distribuirea electricitatii este asigurata din reteaua curenta - cu toate acestea, pentru incarcare rapida nu se recomanda sigurantele domestice. Vehiculele sunt usor de condus in medii urbane si de teren, datorita torsiunii ridicate a motoarelor electrice si controlului mai facil al vitezei. Vehiculele exclusiv electrice pot suferi o anduranta restrictiva. Operate la temperaturi scazute, capacitatea bateriilor neincalzite este mult mai redusa (in functie de tipul bateriei).Studiile arata ca automobilele electrice, furgonetele sau camioanele mici, consuma 54%, respectiv 47% si 52% din energia primara necesara vehiculelor cu ardere interna. Acest avantaj va spori atunci cand va fi posibila realimentarea vehiculelor prin conectarea lor directa la sursele de producere energie electrica, cu o eficienta totala a capacitatii ce va depasi 50% (instalatii cu

ciclu combinat gaz/abur, pile de combustie, baterii tampon, etc.).

Tehnologia utilizata la aceste vehicule

Procesul de incarcare este fie inductiv fie de tip conductiv. Alimentarea de la reteaua electrica este cea mai eficienta - stocarea intermediara in baterii nu este eficienta. Statiile de alimentare trebuie sa aiba in vedere actiunile de vandalism si sa nu uite sa scoata din priza inainte de a porni motorul si a pleca.

Stocarea energiei la bord poate fi de scurta, medie si lunga durata, utilizand ultra condensatoare, baterii NI-Mh cu autodescarcare ridicata , sau baterii cu stocare electrolitica separata (asa numitele baterii/acumulatori flux/de curgere) fara auto descarcare. Asa numitele BEV sunt adecvate pentru vehicule de interior, subterane si de cartier, etc. Datorita andurantei scazute a pachetului greu de acumulatori (in principal NiMh sau cu placi de plumb si acid sulfuric) nu este posibilia utilizarea acestora de catre automobile private sau cele cu rulaj zilnic mare. Ultimele realizari, cum sunt bateriile Li-Ion si extensii de serie prin pilele de combustie, au reintrodus conceptul, putand fi explorate noi domenii de aplicatie.

Pe langa alimentarea de la retele, pot fi utilizate surse alternative, cum este energia eoliana sau solara. Totusi, in zonele urbane cu strazi inguste nu exista spatiu suficient pentru a beneficia de o cota de energie solara semnificativa. Panourile solare de pe acoperisul automobilelor nu pot produce suficienta energie pentru a contribui considerabil la necesarul de energie utilizat pentru propulsie.

Vehiculele sunt usor de condus in medii urbane si de teren, datorita torsiunii ridicate a motoarelor electrice si controlului mai facil al vitezei. Vehiculele exclusiv electrice pot suferi o anduranta restrictiva. Operate la temperaturi scazute, capacitatea bateriilor neincalzite este mult mai redusa (in functie de tipul bateriei).

Caracteristicile motrice ale vehiculelor electrice sunt foarte bune. Este posibila o buna accelerare si suficienta putere dispobilila. Calatorului unui troleibuz i se ofera sentimentul deplasarii cu tramvaiul, datorita absentei vibratiilor si zgomotelor unui motor cu combustie interna.

Sistemele electrice moderne nu necesita intretinere fizica. Din cand in cand, pot fi echilibrate bateriile, iar sistemul de racire curatat.

Modele de vehicule alimentate cu baterie si electric:

Vehiculele electrice rutiere nu se vand prin comercianti. Pe piata se afla cateva vehicule de marime normala:• Citroen Berlingo 500E Electric• Veturi Vetish, Ariana Ev IEV 797• Sunt disponibile cateva vehicule mai mici cu doua locuri (Kewett Buddy, Maranello, Revo)

Pe langa vehiculele pentru operare in depouri (numite de asemenea vehicule de cartier), se afla in vanzare vehicule utilitare (YDEA electric Micro Vett, furgoneta Piaggo Porter).

Sunt disponibile cateva autobuze electrice pentru operare in zone limitate:• Mini autobuzul pe baterie Breda• Gepebus• IVECO Europolis• Autobuz de scoala Micro Vett, avand la baza IVECO DAILY

Urmatoarele vehicule electrice pe baterie, de mici dimensiuni, pot fi utilizate in depouri sau in centrele urbane istorice:• Graf Carello Transporter• Aixam Mega• Alke’ ATX• Tasso Domino• Camionul H2, un vehicul utilitar mic, adecvat aplicatiilor pentru transport la spitale si aeroporturi.

Beneficiile de mediu oferite de vehicule:

Vehiculele electrice produc zero emisii la teava de esapament, ceea ce face sa fie considerate o propunere atragatoare fata de mediul inconjurator, pentru mediile urbane aglomerate unde calitatea slaba a aerului genereaza deseori probleme de sanatate. Cu toate acestea, analiza completa a beneficiilor de mediu ale BEV trebuie sa considere de asemenea emisiile asociate cu producerea si furnizarea electricitatii utilizate pentru incarcarea vehiculelor. In numeroase tari este usor de calculat nivelul CO2, deoarece sunt disponibile cifre pentru media de CO2 produsa per kWh de energie electrica livrata. In Marea Britanie, de exemplu, cifra este de 430g CO2/kWh livrat. Pentru automobilele electrice mici sau furgonete derivate din automobil cum este Peugeots 106s si Citroen Berlingos, aceasta cifra este de aproximativ 80-90g CO2/km, ceea ce este la paritate cu automobilul hibrid Honda Insight de 2 locuri si este considerabil mai bun decat orice vehicul pe petrol conventional sau motorina. In Franta, unde majoritatea energiei electrice este generata de centrale nucleare, sau in Elvetia, unde majoritatea provine din centrale hidro sau nucleare, emisiile de CO2 raportate la km trebuie sa fie de departe mai mici.Bateriile pot avea un impact de mediu ridicat datorita energiei cerute pentru a le produce si datorita potentialului de contaminare a solului sau a apei din sol la dispozitie. Cu toate acestea, cele mai populare baterii EV (cu placi de plumb si acid sulfuric si Ni-MH) sunt ambele deja reciclabile, iar Directiva CE cu privire la durata de servici a unui vehicul (2000/53/EC) impune ca acestea sa fie reciclate.

Avantaje:

Utilizarea unei energii electrice mai nepoluante, produsa prin tehnologii avansate sau regenerabile

Emisii zero la teava de esapament Reincarcare baterii in perioada de noapte Energie reciclata din franarea regenerativa Costuri operationale si de combustibil mai mici Siguranta in alimentarea cu energie, prin inlocuirea petrolului cu electricitate generata

intern Operare silentioasa

Dezavantaje:

Limitare distante parcurse Tehnologia bateriei necesita imbunatatiri in continuare Eventuala nevoie a unei infrastructuri publice pentru reincarcare

Vehiculele electrice sunt cunoscute de foarte multa vreme. La inceputul anilor 1900, existau mai multe vehicule electrice decat automobile actionate pe benzina.Apoi benzina era foarte scumpa. Era de asemenea greu de pornit un motor pe benzina; pentru a-l porni, trebuia invartita in mod repetat o manivela in fata automobilului. Nu exista o cheie pentru pornirea motorului, asa cum se face in prezent. Vehiculele pe benzina erau de asemenea zgomotoase si scoteau mult fum. Automobilele fie nu aveau amortizoare fie acestea nu functionau bine. Astfel, vehiculele electrice au fost o IMENSA lovitura. La un moment dat, existau 50.000 BEV pe strazile si autostrazile Statelor Unite ale Americii.

Mandria de a conduce vehicule pe Baterii Electrice

Pentru mine conteaza si emisiile de CO2 per kWh la furnizorul de energie. Datoritaeficientei foarte mari a sistemului meu electric de propulsie consumul energetic final estemult mai redus in kWh.Nu numai ca economisesc energie dar si resurse de asemenea prin energia electrica defranare sau chiar regenerarea energiei de franare. Astfel reduc uzura franelor mecanice.Vehiculele pe BE sunt de asemenea capabile sa utilizeze energia regenerabila adusa laretea. Acest lucru deschide resursele catre o larga sursa de deseuri si instalatii nealimentare.Avand in vedere insuficienta obtinerii facile a combustibililor fosili, se pune intrebarea dacanu ar trebui sa comparam biocombustibilii cu a doua generatie de combustibili fosili(de exemplu din carbune cenusiu) cu balanta de CO2 mult mai proasta?Introducerea energiei regenerabile la automobile este mai usor de facut prin trecerea laalimentare electrica. Pot fi utilizate deseurile si biomasa de calitate redusa, precum sienergia solara. Bateriile moderne pe Litiu au putere mai mare cu sarcini mai mari si temperaturi joase decat vechile acumulatoare cu placi de plumb pe care probabil le cunoasteti. Solutiile

recente ale chimiei sunt de asemenea mult mai sigure decat primele utilizate la laptopuri.Automobilul meu electric nu va avea nici o problema in zonele cu emisii controlatedeoarece are emisii locale zero. Astfel datorita si a longevitatii tractiunii electrice valoareade revanzare va fi ridicata. Pentru incarcare standard pot utiliza orice priza de alimentare. Mai mult, cetatenii permit altora realimentarea vehiculelor electrice.

Modelul vehiculului electric hibrid

Se consideră un vehicul electric hibrid cu structură de tip paralel. Modelulvehiculului hibrid este prezentat în figura . În regimul de motor, maşina electrică furnizează

putere la roţi, fiind alimentată de la baterie. În regim de generator, ea va prelua energia cinetică de la roţi şi o va transforma în energie electrică stocată în baterie. La puteri mari, când cuplul cerut de şofer TSofer depăşeşte cuplul motorului termic TMT, maşina electrică va furniza de asemenea putere TME la roţi:

TSofer = TMT + TME

La frânare, maşina electrică va recupera energie, care, la vehiculul clasic, se pierde prinfrecare în sistemul de frânare mecanic. Algoritmul de management al energiei are în vedere modul de furnizare a puterii electrice TME, pe baza stării de încărcare a bateriei, cu scopul de a folosi motorul termic la un punct de funcţionare cât mai eficient.

Stand de testare a sistemului electric de propulsive

Dezvoltarea sistemului de control al vehiculului se realizează în câteva etape succesive:simularea off-line; simularea în timp real; testarea vehiculului pe standul dinamometric; testareavehiculului în teren. Multe din aspectele interacţiunilor complexe ce există între elementelecomponente şi ale strategiilor de control necesare pot fi evidenţiate timpuriu prin simulările off-lineşi simulările în timp real.

În figura urmatoare se prezintă un stand de testare a sistemului electric de propulsie, format din două maşini electrice cuplate mecanic, una reprezentând motorul de acţionare a vehiculului iar cealaltă funcţionând ca maşină de încărcare ce asigură cuplul de sarcină. Motorul de acţionare este o maşină asincronă cu rotor în scurtcircuit (4kW, 1430 rpm) şi este alimentată prin intermediul unui invertor PWM realizat cu module IGBT. Pentru încărcare este utilizată o maşină de c.c. alimentată de la un convertor PWM în punte realizat cu aceleaşi tipuri de module IGBT. Achiziţia mărimilor electrice de la bornele motoarelor se realizează cu traductoare cu senzori Hall, în timp ce viteza mecanică este măsurată cu ajutorul unui traductor incremental. Resursele de calcul, necesare controlului celor două maşini electrice, sunt asigurate de placa dSPACE DS1104. Pentru a asigura un spectru cât mai larg de tipuri de porturi de interfaţare cu mediul înconjurător placa utilizează suplimentar procesorul de semnal în virgulă fixă TMS320F240 al firmei Texas Instruments. Elementele periferice încorporate asigură porturile de interfaţare necesare pentru comanda convertoarelor de putere şi achiziţia semnalelor din sistem.

Programul folosit pentru interacţiunea cu simulatorul de timp real este ControDesk. Eladministrează fiecare aspect al simulatorului, de la dezvoltarea de interfeţe grafice utilizator lacontrolul execuţiei modelelor în timp real şi gestionarea tuturor configuraţiilor hardware [5].Investigarea tehnicilor de control şi a performanţelor de regim static şi dinamic se poate realiza prin testarea pe un stand dinamometric virtual, care permite emularea modelelor liniar şi neliniare, ceea ce permite realizarea de teste realistice. Dinamometrul trebuie să poată să urmărească profilul de cuplu impus, cu erori şi întârzieri minime. De asemenea, el trebuie să poată trece de la putere negativă mecanică (mod generator) la putere pozitivă mecanică (mod motor) pentru a simula decelerări, deplasări în pante etc. Placa DS1104 controlează ansamblul motor de inducţie – invertor precum şi ansamblul motor de curent continuu – chopper astfel încât să emuleze interacţiunea dintre componente, vehicul şi mediul dat de calea de rulare. Aceasta s-a realizat printr-un controler de viteză de tip PI adăugat la structura motorului de inducţie. (figura urmatoare).

Concluzii

Vehiculele electrice hibride, fiind sisteme foarte complexe, necesită dezvoltarea unorproceduri diverse de testare a configuraţiilor şi a algoritmilor de control în vederea optimizăriiconsumului de combustibil şi a reducerii emisiilor poluante. În această direcţie s-a realizat un standexperimental care poate fi utilizat în evaluarea indicilor energetici pe care diferitele topologii şitehnici de modulare folosite realizarea convertoarelor statice sau pentru determinarea strategiilor decontrol în timp real al sistemului electric de propulsie.