Autoturisme hibride

Stadiul actual si tendinţe

Încălzirea globala, epuizarea resurselor minerale si poluarea in aglomeraţiile urbane constituie probleme care trebuie soluţionate in noul secol, impunându-se, totodată, noi standarde pentru sistemele de propulsie ale automobilelor. Prin reducerea consumului de combustibil la automobile se realizează, in aceeaşi măsura, reducerea emisiei de CO2, ca element important al efectului de sera. Constructorii europeni de automobile au acceptat o reducere cu 25 % a emisiei de CO2 pana in 2008, fata de nivelul din 1990, adică pana la 140 g/km. Acestuia ii corespunde un consum de benzina de 5,8 l/100 km si de 5,2 l/100 km de motorina, in ciclul european de testare (NEDC). Pana in anul 2012 urmează sa se mai facă un pas si nivelul sa fie redus pana la 120 g/km de CO2, acestuia corespunzându-i un consum de benzina de 5 l/100 km si 4,5 l/100 km de motorina . In acelaşi timp, posesorii de automobile pretind siguranţa si confort mai mari, cu toate ca îndeplinirea acestor cerinţe implica masă mai mare si cu aceasta consum de combustibil crescut. In plus, se pretind performante dinamice mai mari fără creşteri suplimentare de preţ.

Este foarte important sa se precizeze faptul ca nu este suficient ca un motor cu ardere interna poate funcţiona pe stand, la anumite regimuri, cu consum de combustibil si poluare reduse, ci ar fi de dorit ca acesta sa poată funcţiona pe automobil la regimurile economice, indiferent de viteza de deplasare. Se apreciază ca funcţionarea eficienta a

motorului cu ardere interna pe automobil ar fi posibila numai daca automobilul ar fi prevăzut si cu un sistem electric de propulsie, care sa furnizeze puterea necesara la roata,pe intervale scurte de timp, la deplasarea in zonele aglomerate sau in oraşe. Intr-o astfel de configuraţie (motor cu ardere interna, transmisie adaptiva, generator/motor electric) motorul cu ardere interna ar funcţiona numai la regimul economic, sau in preajma acestuia, iar in rest ar fi oprit sau ar funcţiona la ralanti.

Sisteme de propulsie hibride

Sistemele de propulsie care au in componenţa lor pe lângă un sistem convenţional cu motor cu ardere interna încă cel puţin unul capabil sa furnizeze cuplu de tracţiune la roţile automobilului, pe de o parte, şi să recupereze o parte din energia cinetică, in fazele de decelerare, pe de alta parte, sunt cunoscute sub denumirea de transmisii hibride Figura 1 prezintă arhitecturiile fundamentale ale sistemelor hibride. In timp ce fig. 1, (a) prezintă structura in modul cel mai abstract, celelalte figuri particularizează transferul energetic intre diferitele subsisteme, prin natura legăturilor de putere: hibrid serie daca legătura motor termic / roti se face electric (motorul cu ardere interna nefiind legat cinematic la rotile motoare); hibrid paralel (când exista o legătura cinematica între motorul termic si roti, caz in care, deseori, maşina electrica vehiculează puteri inferioare celei termice), respectiv hibrid mixt (denumit si dual), arhitectură ce combină cele doua variante de mai sus. Cel mai frecvent, cel de-al doilea sistem este unul electric, dar poate fi si hidraulic sau pneumatic.

Figura 1. Arhitecturile fundamentale ale sistemelor hibride

Cea de-a doua caracteristică importantă a sistemelor hibride de propulsie este aceea ca necesită cel puţin doua sisteme de stocare a energiei. Primul, si cel mai

1

cunoscut, este rezervorul de combustibil, in care energia este stocata intr-o forma foarte concentrata, iar in cel de-al doilea energia poate fi extrasa dar si acumulata, in funcţie de cerinţele automobilului. Cele mai potrivite sunt bateriile electrice dar si supercondensatorii, acumulatorii cinetici sau hidraulici. Un acumulator deosebit de avantajos îl constituie bateriile de mare putere pe baza de Litiu, care au o capacitate moderata de stocare si o durata de viata excepţionala (>240.000 km).

Datorita posibilităţii de stocare a energiei exista trei modalităţi de utilizare a acesteia pe automobil:

1. Funcţionarea motorului cu ardere interna la regimul cel mai economic;2. Întreruperea funcţionarii motorului termic atunci când nu este necesara energia

furnizata de acesta (la stop, atunci când ar trebui sa funcţioneze la sarcini foarte mici sau la coborârea unor pante lungi);

3. Stocarea si reutilizarea energiei de frânare prin utilizarea unei maşini electrice reversibile (motor/generator).

In funcţie de modalitatea de transmitere a puterii la rotile automobilului se pot identifica doua familii de transmisii hibride –HEV(Hybrid Electric Vehicle):

1. Transmisii hibride la care motorul termic este asistat de o maşina electrica;2. Transmisii hibride la care punţile sunt acţionate de către un motor electric

alimentat de un generator electricIn funcţie de puterea maşinii electrice se disting :1.Transmisii micro hibride (42 V si funcţionare pornire/oprire. Ex. Toyota

Crown);2.Transmisii mediu hibride (100-250 V cu asistarea motorului termic cu ISG

Integrate Starter Generator, ex. Honda Insight) ;3.Transmisii total hibride – full hybrid (+250 V, cu antrenarea roţilor simultan

sau alternativ cu motorul termic. Ex. Toyota Prius). Principala diferenţa dintre aceste tipuri este data de puterea dezvoltata de componentele electrice.

Figura 2. Soluţii pentru hibridizarea micro şi medie

2

Hibridizarea micro si medie reprezintă cea mai simplă versiune. Automobilul este echipat cu un mic motor electric care ajută la propulsie dar nu există un sistem electric independent de transmisie. Motorul electric poate suplini sistemul convenţional al transmisiei dar numai la puteri la roata relativ reduse, 2-10 până la 25 KW. Alternatorul si demarorul sunt înlocuite printr-un sistem generator-starter . Sistemele care pot asigura funcţia pornire/oprire sunt fie de tipul Belt-Driven (B-ISG), când maşina electrica acţionează prin curea, fie de tipul Crankshaft-Mounted (C-ISG), când maşina electrica acţionează direct arborele cotit.

Micro-hibridizarea este utilă, mai degrabă, în faza de demarare şi utilizează energia recuperată, în timp ce hibridizarea medie foloseşte motorul electric pentru a suplimenta puterea necesara propulsării automobilului, acesta neputând fi propulsat numai electric. Acest sistem este benefic la deplasărilor cu viteze reduse, trafic intens cu opriri si porniri repetate (stop&go), când consumul si emisiile trebuie minimizate. Funcţionarea stop&go permite o reducere cu 5-10 % a emisiei de CO2. Dincolo de avantajele hibridizării referitoare la consum si emisii se evidenţiază si îmbunătăţirea performantelor. Puterea suplimentara de 10-25 KW oferita de motoarele electrice este utila nu numai la pornirea din loc a automobilului ci si in perioade de accelerare pentru executarea manevrelor de depăşire, la viteze cuprinse între 80 si 120 km/h, sau la urcarea unor rampe mari.

În ciuda influenţei relativ modeste a hibridizării medii asupra performanţelor generale ale automobilului totuşi aceasta are avantajul unor costuri investiţionale mai mici comparativ cu hibridizarea totala.

Transmisiile total hibride (full-hybrid) se caracterizează prin aceea ca motorul electric poate asigura propulsia pur-electrica a automobilului. Cu alte cuvinte, transmisiile full hybrid sânt suficient de puternice pentru a asigura deplasarea automobilului pe anumite distante fără sa se consume combustibil din rezervor. Reducerea emisiei de CO2 este de aproximativ 25-30 %.

De asemenea, in funcţie de modalitatea de interconectare a motoarelor electrice si a motorului termic se disting doua configuraţii de hibridizare totala de baza :

Transmisii hibride serie (numele provine de la modalitatea de conectare a componentelor), la care numai motoarele electrice sunt conectate la rotile automobilului, motorul cu ardere interna acţionează un generator electric care alimentează motoarele electrice prin intermediul conectorilor electrici. Curentul produs alimentează motoarele electrice care acţionează rotile. Un astfel de sistem se întâlneşte la Toyota Coaster. Totuşi aceasta soluţie este foarte rar întâlnita la automobile;

Transmisii hibride paralele, la care ambele surse de putere – motorul termic si maşina electrica sunt conectate la rotile motoare prin intermediul unor legături mecanice adecvate. Motorul termic şi maşina electrica pot acţiona punţile motoare simultan sau individual, separat (o punte) sau împreuna (ambele punţi), ele putând fi cuplate intre ele. Un exemplu de utilizare a acestei tehnologii este Honda IMA (Integrated Motor Asist) pe Insight si Civic.

Indiferent de configuraţie elementele componente fundamentale sunt aceleaşi: motorul termic, maşinile electrice, convertoarele electronice de putere si sistemele electrice de stocare a energiei.

3

Figura 3. Configuraţiile maşinilor hibride

Prin interconectarea adecvata a acestor componente (ambreiaje, curele, lanţuri, transmisii planetare si articulaţii cardanice) exista posibilitatea realizării unor transmisii hibride capabile sa se comporte atât serie cat si paralel, fie alternativ (combined hybrids) fie simultan (mixed hybrids).

Transmisiile hibride mixte, denumite si cu ramificare de putere (split hybrid), utilizează sisteme electromecanice sau electromagnetice pentru a controla optim ramificarea puterii de la sursa si transmiterea ei roţilor motoare in funcţie de cerinţele de tracţiune si de performantele dorite. Cele mai reprezentative configuraţii ale sistemelor hibride de tracţiune sunt prezentate in fig.3. Fiecare varianta poate fi o soluţie care sa satisfacă cele mai exigente cerinţe de protecţie a mediului dar si pentru a satisface pretenţiile de dinamicitate , cost si calitate.

Transmisiile hibride paralele sunt mult mai flexibile din punct de vedere al modului de utilizare. Puterea si dimensiunea maşinii electrice pot fi astfel alese încât sa se asigure un bun compromis intre cost/complexitate si eficienta (consum de combustibil, poluare). Optimizarea motorului cu ardere interna poate aduce avantaje suplimentare, dar aceasta nu constituie prima prioritate. Performantele si funcţiile pot fi îmbunătăţite gradual in funcţie de creşterea puterii electrice pe automobil (36 V) si de puterea sistemelor auxiliare (aer condiţionat, încălzirea catalizatorului, supape de control, comenzi prin fir – by wire). In cazul transmisiilor hibride paralele exista o multitudine de variante de dispunere a motorului electric in raport cu motorul termic, ambreiajul si cutia de viteze.

Alegerea soluţiei optime depinde de tipul vehiculului si de cerinţele transmisiei hibride. Combinaţia dintre un motor electric si o cutie de viteze cu variaţie continua a

4

rapoartelor de transmitere permite realizarea unei construcţii compacte cu densitate mare de putere prin utilizarea motoarelor electrice sincrone cu magneţi permanenţi.

Figura 4. Exemple de scheme de propulsie de tip hibrid paralel

Figura 4 prezintă câteva exemple reprezentative de sisteme hibride tip paralel. Se observa condiţionarea cinematica relativa intre regimurile de rotaţie ale motoarelor termic si electric. Primul caz este specific binecunoscutei Honda Insight (existând si o varianta CVT) si se caracterizează prin decuplarea motorului termic in regimul sarcinilor mici – funcţionare ZEV (engl. Zero Emission Vehicle). Frânarea regenerativa se realizează punând maşina electrica, ME, in regim de generator, astfel încât, cu ajutorul electronicii de putere (invertor, convertor DC/DC) se reîncărca bateriile de acumulatori. Varianta (c) este ingenioasa prin eliminarea unor algoritmi de control suplimentari (cuplajul unisens deblocându-se automat la decelerare, astfel ca motorul electric preia maximul posibil din energia cinetica, aceasta fără a controla un ambreiaj cu fricţiune). Variantele (d) ... (f) sunt aşa-numite dublu-arbore, motorul electric fiind plasat in avalul transmisiei. Uneori, ME se poate decupla, la viteze mari, de lanţul de propulsie, reducând inerţia echivalenta a întregului sistem si sporind si randamentul global (prin eliminarea pierderilor din lagăre).Varianta cu transmisie cu variaţie continua (CVT) are marele avantaj de a plasa motorul termic (MT) in locul optim de funcţionare (pe caracteristica sa), având teoretic o infinitate de puncte de operare eligibile în comparaţie cu o transmisie in trepte, ce are un număr discret, de 4 – 8 valori. La frânare, din nou ME preia o mare parte din energia cinetica a automobilului, in timp ce ambreiajul A decuplează motorul acesta fiind oprit. In fine, fig. 5, (f) prezintă schema unui hibrid aşa numit prin cale (engl. Through-The-Road, sau TTR) – in sensul ca legătura cinematica dintre motoare se realizează prin calea de rulare. Un alt avantaj al acestui sistem este dat de folosirea a câte unui motor pentru fiecare roata motoare spate, eliminând necesitatea diferenţialului si oferind posibilitatea unui control al tracţiunii îmbunătăţit (totuşi simplitatea constructiva nu scade întotdeauna, fiindcă motoarele in roti cresc substanţial masa nesuspendata, iar cele suspendate au nevoie de cate un mecanism reductor incorporat).

Principalele regimuri caracteristice de funcţionare ale unei transmisii hibride paralele pentru autoturisme sunt următoarele:

- La staţionarea la semafor toate sistemele sunt oprite automat;- La demararea de la semafor propulsia este electrica de la baterii;

5

- La demaraje puternice motorul termic va fi pornit si pus in sarcina automat;- La circulaţia urbana cu viteza constanta tracţiunea este electrica;- La decelerare motorul termic este oprit iar maşina electrica funcţionează ca

generator si încărca bateriile;- La viteze de deplasare mari funcţionează numai motorul termic.

O realizare remarcabila o constituie automobilul Smart Hyper de la Daimler-Chrysler. Aplicând schema de hibridizare P3, utilizând o maşina electrica in stare sa asigure 8 KW la funcţionarea continua si 25 KW la funcţionarea intermitenta si baterii NiMH cu capacitatea de 0,94 KWh in greutate de 75 kg, se realizează un consum de 2,9 l/100 km in ciclul NEDC.

Figura 5. Sistem de propulsie hibrid paralel Honda Insight

Figurile 5 prezintă secţiuni în sistemul de propulsie hibrid al Hondei Insight, sistem organizat după arhitectura adiţie de moment, simplu-arbore. Avantajele motorului electric plat, de diametru mare, se refera in special la densitatea de putere si la satisfacerea cerinţelor stricte legate de dimensiunile sistemului de propulsie.Transmisiile hibride mixte combina aspectele pozitive atât ale transmisiei serie cat si ale celei paralele evitând supradimensionarea si costurile configuraţiei serie. Motorul electric poate antrena rotile singur sau împreuna cu motorul termic pentru a asigura eficienta maxima. In plus sistemul poate fi utilizat pentru antrenarea roţilor si in acelaşi timp sa producă electricitate folosind maşina electrica in regim de generator. Funcţionarea sistemului se face cu emisii poluante foarte scăzute.

Aceste sisteme permit obţinerea unor performanţe ridicate, maniabilitate si gestionare optima a energiei disponibile dar complexitatea si tensiunea mare a bateriilor necesita maşini electrice cu performante ridicate iar costurile le fac, deocamdată, incompatibile cu producţia de masă.

La transmisiile hibride mixte (Split-Hybrid) este posibil ca numai o parte din puterea mecanica sa fie transmisa direct la roti, cealaltă parte fiind transmisa prin sistemul electric. In acest fel exista posibilitatea ca randamentul total al sistemului de propulsie sa fie ridicat chiar si la vitezele reduse de deplasare ale automobilului.

6

Figura 6. Exemple de sisteme hibride duale (mixte)

Figura 6 prezintă doua exemple de sisteme hibride duale (mixte) – primul fiind al binecunoscutei Toyota Prius (sistemul THS, actualmente HSD). Efectul esenţial al combinării puterilor motoarelor prin mecanismul planetar MP (aici cu rol de mecanism sumator de putere, de tip adiţie de viteza) este dat de caracterul funcţionarii in regim predominant serie in domeniul vitezelor si sarcinilor mici, respectiv predominant paralel in domeniul sarcinilor mari si la mers pe autostrada. Mai mult, sistemul este continuu, fără şocuri şi are o serie de avantaje si de ordin constructiv – transmisia in trepte dispărând, fiind înlocuita de unicul mecanism planetar. Totuşi, complicaţiile legate de control compensează din plin simplitatea mecanica (lipsa unui control riguros al tuturor celor trei motoare – MT, ME1, ME2 – ducând la fluxuri parazite de putere si in final la maltifuncţia întregului sistem). Sistemul a cunoscut un real succes cu Toyota Prius, siacum este si la baza Ford-ului Escape Hybrid. Curios, acesta din urma realizează un consum de combustibil mai mic in oraş – datorita frânarii regenerative si a funcţionarii in regim preponderent de hibrid serie – decât pe autostrada! Trebuie subliniat ca motorul electric de tracţiune (notat aici ME1) are cca. 50 KW, fiind apropiat de puterea celui termic – acesta funcţionând după ciclul Miller – Atkinson. Daca sistemele HEV paralel decuplau cinematic motorul termic la frânare, in cazul sistemelor duale din familia Prius acest lucru nu se întâmpla – pur si simplu MT este oprit, iar ME2 (deseori denumit „generatorul”) este antrenat de rotile vehiculului, generând putere electrica câtre baterii. Mai mult, ME1 face acelaşi lucru, astfel ca sistemul este foarte eficient.

Figura 6, (b) prezintă schema unui prototip realizat la Universitatea Valencienne, Franţa, prototip având particularitatea lipsei dispozitivului planetar sumator de putere. In locul acestuia, adiţionarea vitezelor unghiulare (fenomen intrinsec arhitecturilor mixte) se face prin controlul turaţiilor relative dintre rotorul si statorul motorului ME. Dezavantajul este ca maşina electrica trebuie sa transmită întotdeauna cuplul motorului termic, fapt ce presupune fie adoptarea unui motor electric foarte mare, nepractic, fie limitarea la domeniul vehiculelor mici si foarte mici (este si cazul exemplului prezentat).

7

Transmisia hibridă Toyota

O realizare excepţionala in acest domeniu o constituie transmisia hibrida Toyota (Toyota Hybrid System –THS) lansata in 1997 pe modelul „PRIUS”, a cărei schema este prezentata in fig.8.. Trei deziderate au fost avute in vedere la realizarea acestui sistem de propulsie:

1) utilizarea unui motor cu ardere interna cu randament ridicat; 2) utilizarea unui sistem de control avansat care sa asigure funcţionarea

permanenta a sistemului la regimul optim; 3) reducerea pierderilor de energie si regenerarea acesteia.

Automobilul Toyota Prius face parte din clasa compact. Performantele maxime impuse au fost: Vmax = 140 km/h, panta maxima de 30 % (17 grade), panta maxima la viteza de 105 km/h de 5 % (6 grade) si aceeaşi panta la viteza de 130 km/h cu motorul electric funcţionând pe caracteristica instantanee.

8

Figura 8. Schema si fluxul puterii in transmisia hibrida Toyota Prius

THS este constituita dintr-un mecanism planetar simplu, un generator electric montat pe arborele solarei si un motor electric montat pe acelaşi arbore cu coroana. Arborele coroanei si al motorului electric transmite mişcarea la rotile automobilului printr-o transmisie cu lanţ si transmisia principala. Motorul cu ardere interna transmite mişcarea direct platoului portsateliţi. Platoul portsateliţi, împarte cuplul de la motor in doua: o parte este transmis prin coroana mecanismului planetar direct la puntea motoare, iar cealaltă parte prin solara mecanismului planetar la generatorul electric. Energia electrica produsa in generator este reconvertita in energie mecanica de către motorul electric si, acesta fiind pe acelaşi arbore cu coroana, transmisa punţii motoare.

Motorul si generatorul electric sunt maşini electrice reversibile de curent alternativ sincrone cu magneţi permanenţi. Motorul electric ajuta motorul termic în fazele de demarare asigurând accelerarea lina şi puternica a automobilului. Suplimentar, in fazele de decelerare, motorul electric funcţionează ca generator electric asigurând transformarea energiei cinetice a automobilului in energie electrica, aceasta fiind stocată în baterii. Generatorul electric produce energie electrica pentru acţionarea motorului electric sau pentru încărcarea bateriilor. Prin reglarea turaţiei generatorului se controlează atât cantitatea de energie electrica produsa cât şi raportul de divizare a puterii in mecanismul planetar. Generatorul serveşte, totodată, ca demaror pentru pornirea motorului termic. In structura transmisiei se afla si un dispozitiv (Invertor) care transforma curentul alternativ de la generator sau de la motorul electric, atunci când funcţionează ca generator in fazele de regenerare, în curent continuu, pentru a stoca energia electrica in baterii si invers, pentru a alimenta motorul electric in tracţiune sau generatorul când funcţionează ca demaror.

Motorul cu ardere interna folosit este un motor cu aprindere prin scânteie de 1,5 l, cu raport de destindere mărit (13,5), raport de comprimare variabil (4,8 – 9,3) şi distribuţie variabilă inteligentă (VVT-i).

9

Sistemul THS funcţionează in următoarele moduri:1. Pornirea motorului termic si deplasarea cu viteze reduse. Alimentarea cu

combustibil a motorului termic este întrerupta iar propulsia este asigurata de motorul electric alimentat de la baterii .Automobilul este „zero” poluant.

2. Regimul normal. Puterea de la motorul termic se ramifica in mecanismul planetar, o parte merge direct la puntea motoare prin coroana , iar cealaltă parte antrenează generatorul electric. Energia electrica produsa de generator este utilizata pentru acţionarea motorului electric suplimentând astfel cuplul la puntea motoare. Ramificarea puterii se face astfel încât randamentul de funcţionare sa fie maxim.

3. Regimul de plina sarcina. La acest regim, in plus fata de regimul normal, motorul electric primeşte suplimentar energie si de la baterii mărind puterea la puntea motoare.

4. Decelerare/frânare. In timpul frânarii automobilului rotile antrenează motorul electric, iar acesta funcţionând ca generator produce energie electrica ce va fi stocata in baterii .

5. Încărcarea bateriilor. Bateriile sunt reglate sa păstreze o anumita cantitate de energie. Când energia stocata in baterii este scăzuta acestea vor fi încărcate prin acţionarea generatorului electric de către motorul termic .

6. La oprirea automobilului motorul termic este oprit automat. Consumul de combustibil al acestui automobil, in ciclul japonez de testare, este de 3,57 l/100 km.

Topul celor mai vândute maşini hibride în România în 2009

România este mult în urma ţărilor europene în ceea ce priveşte vânzările de maşini cu tehnologie hibrida, din cauza lipsei de bonusuri din partea guvernului, anul acesta fiind livrate pe plan local doar 50 de maşini hibrid.

10

Honda hibrid - 10 unităţiHonda Trading, importatorul mărcii japoneze Honda in România, a vândut anul acesta 10 maşini hibrid pe piaţa româneasca. Compania a livrat in perioada ianuarie-septembrie 6 maşini Honda Civic hibrid, respectiv 4 maşini Honda Insight.

Toyota hibrid - 13 unităţiToyota România, importatorul mărcii pe plan local, a livrat in primele 9 luni 13 unităţi Toyota Prius. Compania a adus anul acesta noua generaţie a hibrid-ului Prius, disponibil la un preţ intre 25.300 euro cu TVA si 30.050 euro cu TVA. Anul viitor, Toyota va lansa in România si modelul Auris Hybrid.

Lexus hibrid - 22 unitatiLexus a vândut in primele 9 luni pe piaţa româneasca 22 de maşini hibrid (RX hibrid, GS hibrid si LS hibrid). Modele hibrid pe care Lexus le comercializează in România sunt RX450h, GS 450h, LS 600h.

11