Strategia de comandă a unui vehicul hibrid electric bazată pe calculul pierderilor de energie

1. Introducere

1.1 Nevoia de vehicule hibrid electrice

Primul combustibil folosit la transport în Statele Unite a fost petrolul, un combustibil fosil. Combustibilii fosili nu sunt regenerabili, şi dau gaze de seră şi alte emisii dăunatoare în atmosferă când sunt arse. La Congresul Mondial din 2006 al Inginerilor în Automobile, Samuel Bodman, secretarul Departamentului de Energie, a spus că America este “dependentă de petrol” , importând 60% din petrolul pe care îl folosesc, în valoare de 250 miliarde $ pentru anul 2005. Ca o concluzie la această afirmaţie, vehicule hibrid electrice au fost introduse în sarcina consumatorilor din magazinele de vehicule. Aceste vehicule tipice folosesc un motor termic mic combinat cu un motor electric şi un pachet de baterii pentru a asigura o bună performanţă şi utilizare îmbunătăţind economia de combusibil a vehiculului cu 20%-30%. În studiul Saturn VUE hibrid , este un enunţ în care General Motors urmăreşte dezvoltarea pe perioadă scurtă, mijlocie şi lungă a unei tehnologii avansate de propulsie cu o ultimă determinare pentru îndepărtarea automobilului de la discuţiile mediului. Transmisia de putere la hibride reprezintă o tehnologie centrală de durată mijlocie, şi sunt deja în planul tehnologic al propulsie la General Motors. Deci vehiculele hibrid electrice reprezintă o soluţie practică pentru reducerea cantităţii de petrol utilizată pentru transport, în timp ce examinăm reducerea emisiilor vehiculelor.

1.2 Din ce este realizat un vehicul hibrid electric

Un vehicul hibrid electric atinge o economie de combustibil mare, reducând emisiile, şi având o performanţă bună prin combinarea unui motor termic mai mic, decât la un vehicul convenţional, cu un motor electric şi un sistem de stocare a energiei. Motorul termic este mai mic ca volum şi dimensiune, astfel încât încărcarea de avarie pe care o întâlneşte vehiculul la accelerare şi conducerea pe autostradă sunt mai apropiate de zona de operare la randament ridicat al motorului termic, reprezentat în figura 1 prin procente de randament. Unul sau două motoare electrice sunt utilizate în diferite moduri, depinzând de conectarea acestora cu transmisia vehiculului. Motoarele electrice pot asigura propulsia vehiculului, sau pot fi asistate de motorul termic pentru o performanţă mai bună. Când motoarele electrice dau un cuplu negativ acestea se comportă ca generatoare ele încărcând bateriile. Acest cuplu negativ poate fi găsit şi la motor termic în cazul în care se foloseşte combustibilul pentru a reîncarca sistemul de stocare a energiei, sau cuplul negativ poate fi folosit la încetinirea vehiculului, referindu-se la frânarea recuperativă. Puterea pentru motoarele electrice vine de la sistemul de stocare a energiei, care în majoritatea cazurilor este realizat din baterii, dar poate fi realizat şi prin alte metode de stocare a energiei cum sunt ultracapacitoarele. Sistemul de stocare a energiei reprezintă o sursă de putere pentru motoarele electrice, la fel cum poate fi o sursă de stocare când motoarele se comportă ca generatoare.

Turaţia Motorului Termic [rpm]

Figura 1 - Diagrama de randamente tipice unui motor termic

Ca o concluzie, un vehicul hibrid electric utilizează motorul electric şi sistemul de stocare a energiei ca încărcare de avarie pentru motorul termic pentru a atinge un randament mai bun în utilizarea combustibilului. Cum a fost arătat în diagrama de randamente combustibilul de la motorul termic este utilizat cel mai eficient la viteze mici ale motorului termic (~2000 rpm) şi cupluri ridicate (>100 Nm). Petele negre din partea de sus a figurii 1 arată o “anvelopă de cuplu” a motorului termic, unde motorul termic nu poate opera din cauză că nu poate produce suficient cuplu la acele viteze. Vârful de putere cerut de la motorul termic, aşa cum este o acceleraţie puternică, poate fi micşorată utilizând motoare electrice pentru a suplini o parte din puterea cerută, descărcând bateriile. De asemenea, pentru cupluri scăzute cum ar fi menţinera unei viteze constante, motorul electric poate creşte cuplul motorului termic comportându-se ca un generator încărcând bateriile. Alt mod pentru a creşte puterea de avarie şi a scade utilizarea combustibilului este de a opri motorul termic când cuplul este mic. Bineînteles asta se referă la un motor termic care poate fi pus pe stop, dar motorul termic chiar poate fi oprit de tot în cazul unei frânări şi câteodata poate fi ţinut oprit pentru accelerări uşoare şi viteze de mers mici.

Vehiculele hibride pot fi “asamblate” în diferite moduri, referindu-se la o arhitectură hibridă. Cele mai simple arhitecturi sunt hibrid paralel şi serie. În figura 2 sunt arătate mai multe tipuri unul hibrid cu motor de pornire legat în paralel, hibrid “în mers” paralel, şi un hibrid serie. La primul se utilizează un singur motor electric care dă cuplu pozitiv la motorul termic sau îl asistă sau cuplu negativ atunci când se comportă ca generator. În orice caz, motorul termic trebuie să se învârtă, şi se referă la un hibrid paralel pentru ca parţile mecanice şi electrice sunt în paralel. Similar la hibridul “în mers” paralel foloseşte un motor electric pentru propulsie asistat sau pentu a încărca bateriile prin transmisia spate de la roţi. În contrast, hibridul serie produce putere la roţi printr-o parte serie a conversiei energiei prin motorul termic la generator, baterii apoi motorul electric din puntea spate. Notând că hibridul serie şi hibridul “în mers” paralel poate propulsa vehiculul fără motorul termic pornit, primind putere motorul electric din puntea spate de la baterii. Arhitectura paralel separată descrisă în acest proiect combină toate aceste variante într-una singură cu motor de pornire, motor electric de tracţiune pe puntea spate şi o transmisie. Această arhitectură se referă la doua motoare în paralel şi unul în serie dispuse pe vehicul.