I.

Introducere .......................................................................................................................... 2 1.1. 1.2. Propulsia hibrida a autovehiculelor .......................................................................... 2 Arhitectura sistemelor hibride de propulsie a autovehiculelor ............................... 5

II.

Constructia si elemente de proiectare ale autovehiculelor hibride ................................ 8 2.1. 2.2. Probleme de cercetare in modelarea VEH ............................................................... 8 SSE ............................................................................................................................. 8

2.2.1. Principii de dimensionare ale SSE ......................................................................... 8 2.2.2. Puterea si capacitatea SSE .................................................................................... 9 2.2.3. SSE pentru un VE ................................................................................................. 11 2.2.4. SSE pentru un VEH............................................................................................... 13 2.3. SSE pentru un VEHP ................................................................................................ 14

2.3.1. Progrese in domeniul tehnologiile SSE ............................................................... 15 2.3.2. Baterii cu plumb .................................................................................................. 16 2.3.3. Baterii Ni-MH....................................................................................................... 16 2.3.4. Baterii Li-ion ........................................................................................................ 17 2.3.5. Supercondensatori .............................................................................................. 18 2.4. Alegerea motorului electric .................................................................................... 18

Bibliografie ........................................................................................................................... 20

1

I. Introduceren prezent, numrul de autovehicule rutiere este din ce n ce mai mare, n mod special n mediul urban, iar cantitatea emisiilor de gaze, care pune n pericol viaa oamenilor i calitile mediului, este n continu cretere. Deocamdat, nu se poate vorbi de reducerea numrului de autovehicule rutiere. Pe de alt parte, se tie c resursele de combustibili fosili sunt limitate i neregenerabile i c, n acest secol, ele se vor epuiza. Pe plan mondial, preocuparea constructorilor de autovehicule pentru reducerea consumului de combustibil i reducerea emisiilor poluante s-a materializat, in ultimul deceniu, prin dezvoltarea de vehicule puin poluante i cu consum redus de combustibil*1+. Din categoria acestora, pe lng cele care utilizeaz gazul natural lichefiat, metanolul sau energia electric, fac parte i vehiculele hibride*2+. Constructorii de autovehicule consider c, n acest sens, una dintre soluiile radicale este schimbarea profund a modului de propulsie al autovehiculelor, prin promovarea sistemelor hibride de propulsie, considerate ca soluii de viitor pentru reducerea substanial a consumului de combustibil i a emisiilor poluante. Sistemele de propulsie care au in componenta lor, pe lng un sistem convenional cu motor cu ardere intern, cel puin nc unul capabil sa furnizeze cuplu de traciune la roile automobilului i care s recupereze o parte din energia cinetic n fazele de decelerare, sunt cunoscute sub denumirea de sisteme hibride regenerative. Pentru redarea energiei recuperate, sistemele de acionare sunt de tipul: hidromecanice (hidrostatice sau hidrodinamice), electromecanice(curent continuu sau alternativ) si mecanice.

1.1.

Propulsia hibrida a autovehiculelor

ntr-un ciclu de lucru al autovehiculului, format dintr-o perioad de accelerare, una de rulare cu vitez constant i una de decelerare (figura 1.1), se constat c puterea necesar, n prima faz, este mult mai mare dect cea necesar rulrii cu vitez constant. Se admite ipoteza c, n faza de frnare, motorul termic funcioneaz la turaia de mers ncet n gol. Prin frnarea automobilului, energia cinetic dobndit prin accelerare se transform n energie

2

caloric n sistemul de frnare i se pierde ireversibil. Se pune problema dac, n faza de frnare, energia cinetic a automobilului nu s-ar putea recupera i stoca n acumulatoare de energie. Datorit faptului c energia poate fi extras din aceste acumulatoare i utilizat din nou, se spune c avem de-a face cu sisteme regenerative de recuperare. Figura 1.2 evideniaz ponderea surprinztor de mare a energiei cinetice disipate pe parcursul unui ciclu urban mediu european EE 15, *3+, pentru a realiza funcia de oprire sau ncetinire a automobilului. n unele cazuri, aceast pondere ajunge pn spre 50% din energia total, aa cum se poate observa n figura 1.2, unde Emot este energia necesar a fi furnizat de motor pentru propulsarea autovehiculului, Edis este energia disipat n timpul decelerrii, iar Emin este energia necesar pentru propulsie n cazul recuperrii totale a energiei disipate. Se poate trage concluzia c se pot realiza aceleai cicluri de deplasare n regim urban cu un motor mai mic de unde i aa-numitul fenomen de downsizing. n prezent, preocuparea constructorilor de autovehicule pentru reducerea consumului de combustibil i reducerea emisiilor poluante s-a materializat n dezvoltarea de vehicule puin poluante i cu consum redus de combustibil. Din categoria acestora, pe lng cele care utilizeaz gazul natural lichefiat, metanolul sau energia electric drept surse de energie, fac parte i vehiculele hibride.

3

Fig 1.1 Ciclul de lucru al autovehiculelor [2]

Fig 1.2 Ponderea energiei disipate [3] Sistemele de propulsie care au n componena lor, pe lng un sistem convenional cu motor cu ardere intern, cel puin nc unul capabil s furnizeze cuplu de traciune la roile automobilului i s recupereze o parte din energia cinetic din fazele de decelerare, sunt cunoscute sub denumirea de sisteme hibride regenerative, [4], [5]. n comparaie cu vehiculele electrice, caracterizate printr-o autonomie redus de deplasare, VEH au multe avantaje, datorit crora a nceput dezvoltarea lor pe scar din ce n 4

ce mai larg. Un autovehicul echipat cu un sistem hibrid de propulsie realizeaz o economie important de combustibil i reduce poluarea prin recuperarea unei pri importante din energia de frnare.

1.2.

Arhitectura sistemelor hibride de propulsie a autovehiculelor

Arhitectura unei transmisii hibride poate fi realizat n dou variante de baz, serie i paralel, dup cum se prezint n figura 1.3. La o transmisie hibrid serie, motorul termic nu este conectat mecanic la roile motoare, puterea necesar deplasrii automobilului fiind transmis prin sisteme hidraulice sau electrice. La o transmisie hibrid paralel, se pstreaz legtura mecanic ntre motorul termic i roile motoare, ns, n aceast transmisie, poate fi introdus i energia provenit de la agregatul secundar de antrenare. Principial, schemele celor dou variante, serie i paralel, pot fi urmrite n figura 1.3. Trebuie menionat faptul c, la rndul lor, transmisiile hibride paralele se ntlnesc la automobile ntr-o mare diversitate de configuraii. De exemplu, n cazul sistemului hibrid termoelectric serie, motorul cu ardere intern acioneaz un generator electric care, la rndul su, acioneaz un motor electric, iar n cazul sistemului hibrid termo-electric paralel, cele dou motoare pot funciona separat sau n acelai timp pentru a propulsa autovehiculul. Pentru un hibrid termo-electric, cele dou variante pot fi urmrite n figura 1.3.

Fig 1.3 Tipurile de sisteme hibride serie si paralel

5

Sistemele hibride de propulsie au, n general, urmtoarea componen: sisteme de convertire a energiei mecanice n alt tip de energie; sisteme de stocare a energiei obinute prin convertirea energiei mecanice; sisteme de utilizare, pentru propulsie, a energiei stocate. Sistemele de convertire a energiei mecanice pot fi: mecanice; mechano-ineriale, mecano-electrice; mecano-hidraulice; mecano-pneumatice. Sistemele de stocare a energiei se pot realiza n mai multe moduri, n funcie de componentele tehnice implicate n acest proces. Principalele tipuri de componente utilizate pentru stocarea energiei recuperate sunt clasificate n figura 1.4.

Fig 1.4 Tipuri de sisteme de stocare a energiei recuperate Sistemele de convertirea energiei stocate n energie mecanic, transmis ctre roile motoare la autovehiculelor, se pot realiza utiliznd, de asemenea, mai multe tipuri de sisteme, de diverse naturi, prezentate, schematic, n figura 1.5.

6

Fig 1.5 Sisteme de actionare pe baza energiei stocate

7

II. Constructia si elemente de proiectare ale autovehiculelor hibride2.1. Probleme de cercetare in modelarea VEHFocalizarea cercetarii asupra vehiculelor hibride este indreptata in special asupra eficientei/randamentului trenului de rulare. Aceasta eficienta depinde de contributiile motorului termic, motorului electric, bateriilor precum si ale transmisiilor mecanice. Randamentul maxim al unui motor cu ardere interna poate fi chiar si de 36% (motor cu aprindere prin scanteie, 1,5L, Toyota Prius 1998), in timp ce randamentul total al sistemului hibrid se situeaza in jurul valorii de 20%. Asadar, obiectivul principal al cercetarii asupra vehiculelor hibride este de a imbunatati eficienta totala a autovehiculului prin optimizarea marimii componentelor trenului de rulare. Desi exista un mare potential de a imbunatati economia de combustibil precum si maniabilitatea autovehiculelor, strategiile de control actuale bazate pe intuitia inginereasca nu reusesc sa surprinda aceste aspecte. Datorita existentei a unor surse multiple de putere aflate la bordul acestor autovehicule, a fost nevoie sa se creeze o strategie de control a consumului de combustibil si a emisiilor.

2.2. 2.2.1.

SSE Principii de dimensionare ale SSE

Pentru tehnologii diferite ale autovehiculelor, SSE sunt utilizate in mod diferit. VEH sunt clasificate in trei categorii, functie de tipul sursei de energie electrica: VE, VEH si VEHP. Un VE foloseste SSE ca sursa unica energie. Din punct de vedere tehnic, un VE nu poate fi considerat un vehicul electric hibrid. SSE al unui vehicul electric se incarca exclusiv de la o retea de energie electrica, mai putin in cazul in care acesta executa franarea cu recuperarea energiei. Autonomia vehiculului rezultata in urma unei singure incarcari complete este direct legata de capacitatea sistemului de stocare a energiei. Pe de alta parte, un VEH are la bord mai multe surse de energie. Intr-un VEH motorul cu ardere interna sau pila de combustie sunt de obicei hibridizate cu un sistem de stocare a energiei electrice. SSE electrice poate fi alimentat de catre motorul cu ardere interna sau de catre pila de combustie, in functie de necesarul de putere, nefiind nevoie de o sursa externa de energie. Un VEHP este de asemenea un vehicul electric hibrid ce are 8

sistemul de stocare a energiei electrice alimentat de catre motorul cu ardere interna sau pila de combustie, dar si de la o retea externa de energie electrica. In cadrul VEHP, dimensionarea SSE se face tinand seama de capacitatea de stocare a energiei electrice (kWh) si de puterea ce poate fi asigurata (kW). In plus, trebuie sa se aiba in vedere numarul de cicluri incarcare/descarcare precum si costul sistemului. Cerina de dimensionare a SSE variaz semnificativ n funcie de caracteristicile trenului de rulare al autovehiculului (VE, VEH i VEHP) [5+. Aceast cerin poate fi obinut de ndat ce tipul vehiculului este specificat i obiectivele de performan sunt stabilite. Cu toate acestea, ceea ce este mai putin simplu i implicit mai provocator este a gsi un design optim al SSE care sa respecte caracteristicile speciale ale cerintelor de putere. n mod normal, unitile de stocare a energiei sunt n primul rnd dimensionate in functie de capacitate sau putere. Eficienta de incrcare-descrcare este, de asemenea, luata n considerare. n cadrul acestui studiu, se va realiza o comparaie a caracteristicilor de performan (Wh / kg, Wh / L, W / kg, etc) ale diferitelor tehnologii de stocare a energiei electrice pentru cerine diferite de putere ale autovehiculului, analiza care s ghideze proiectarea SSE.

2.2.2.

Puterea si capacitatea SSE este utilizata pentru a reda puterea maxima a

SSE poate fi compus din diverse tipuri de baterii de acumulatoare, supercondensatori si combinatii ale lor. Expresia

unei baterii, unde V este tensiunea nominala si R este rezistenta interna a bateriei. Randamentul bateriei la putere maxima este relativ scazut (se apropie de 50%). O relatie generica intre puterea si randamentul bateriei este data de formula: (2.1)

unde este randamentul la putere maxima. Se presupune ca puterea maxima este debitata la . Pentru un randament de 85% puterea maxima va fi redusa cu 50% fata de puterea maxima la randament mai mic. Supercondensatorii sunt de asemenea dimensionate functie de capacitate si putere. Capacitatea de stocare a energiei (Wh) este adesea utilizata pentru a dimensiona

9

supercondensatorii datorita energiei specifice scazute pe care acestea o au (5 10 Wh / kg). Puterea maxima utilizabila debitata de un supercondensator este data de relatia: (2.2) , unde

Puterea maxima, in cazul supercondensatorilor, apare la o tensiune de I=Pmax/(3/4V0)

. Cum rezistenta interna a unui supercondensator este

considerabil mai mica decat a unei baterii, si puterea maxima va fi mai mare. Figura 2.1 arata puterea specifica si capacitatea specifica pentru tipurile cele mai populare de SSE, incluzand bateriile cu plumb, bateriile Ni-MH, bateriile Li-ion si supercondensatori. Deoarece exista diferente in compozitiile chimice ale bateriilor, se poate ajunge la diverse echilibre intre densitatea de putere si densitatea de energie. Astfel, puterea specifica si capacitatea specifica pentru un anume tip de SSE, variaza pe o scara larga, asa cum este reprezentat prin zonele umbrite din figura 2.1 precum si prin datele din tabelul 2.7. Determinarea dimensiunii SSE prezent intr-un autovehicul se face in functia de nevoia de putere sau energie specifica. In subcapitolele 2.2.3 2.2.5 au fost SSE pentru trei tipuri de autovehicule. In figura 2.1 au fost trasate linii de referinta pentru a reprezenta caracteristicile necesare ale acestor vehicule. Pentru VEH, linia de referinta pentru raportul putere / energie apare intre zona supercondensatorilor si a bateriilor. Asadar, pentru un VEH, constrangerea dimensionala SSE de tip baterie este data de puterea specifica, iar pentru un sistem de tip supercondensator este data de energia specifica. Un echilibru ideal ar fi dat de utilizarea unui sistem care sa utilizeze atat baterii cat si supercondensatori. Pentru VEHP si pentru VE, liniile de referinta pentru raportul specific putere / energie apar in regiunea bateriilor, si implicit constrangerea dimensionala a SSE este data de puterea specifica a bateriilor.

Supercondensatorii, cu densitatea de energie scazuta, nu sunt de obicei luate in considerare; totusi, s-ar putea dovedi sa fie in regula a folosi supercondensatori pentru a prelungi viata bateriilor[7].

10

Pb Fig 2.1 Raportul putere/energie specifica, in functie de necesitatile autovehiculelor Energie specifica (Wh/kg) Fig 2.1 - Raportul putere/energie specifica, in functie de necesitatile autovehiculelor

2.2.3.

Putere specifica (W/kg)

SSE pentru un VE

In cazul VE, atentie este indreptata spre marimea autonomiei cu o singura incarcare completa a bateriilor. Asadar, pachetul de baterii este dimensionat pentru a putea asigura autonomia dorita. Pentru vehiculele alimentate cu baterii, dimensiunea bateriilor este determinata de asigurarea nevoii de energie (kWh/kg), nevoia de putere putand fi usor satisfacuta alegand performante dinamice rezonabile. Ciclurile bateriilor sunt de obicei cicluri complete de incarcare/descarcare. Durata de viata scurtata in cazul bateriilor complet descarcate este o problema avand in vedere faptul ca trebuie asigurata o durata minina de viata a bateriei. Timpul de incarcare a bateriilor este un alt fapt ce trebuie luat in considerare, tinand cont de faptul ca teoretic el ar trebui comparat cu durata de umplere cu combustibil a unui rezervor. O solutie alternativa (dezvoltata de producatorul Renault in Franta) este inlocuirea rapida a pachetului de baterii descarcate cu unul incarcat, la o statie de baterii, la un cost comercial acceptabil. Desi schimbatul pachetului de baterii pare o solutie buna, apar

11

anumite dificultati legate de masa si volumul pachetului, mai ales in cazul bateriilor cu plumb. Totodata, supercondensatorii nu se vor utiliza in cadrul vehiculelor electrice datorita densitatii lor scazute de energie. Pentru a cuantifica consumul de putere si energie in cazul vehiculelor electrice, se vor folosi o serie de caracteristici etalon, detaliate in tabelul 2.1. Se considera un consum de referinta de 0,024l/100km (100 mpg) pentru un autoturism. Consumul de combustibil este tradus in putere calorica utilizand puterea calorica. Putere maxima, kW Autonomie, km Nivel de descarcare, % 100 300 70

Consum combustibil, l/100km (mpg) 2,4 (100) Tab 2.1 Caracteristicile unui vehicul electric etalon Consumul de energie (kWh) este calculat din consumul de combustibil utilizand relatia: (2.3) Rezultatul este un raport ideal putere/energie de 0,89 (89kWh/100kW) care este necesar pentru un vehicul electric. Acest raport poate fi si mai mic in cazul in care se doreste o autonomie mai mare. Linia de referinta este trasata in figura 2.1. Se demonstreaza astfel ca toate tipurile de baterii sunt capabile sa satisfaca nevoia de putere, respectand conditia de energie necesara. Pentru aplicatii in cazul vehiculelor electrice obiectivul ar trebui sa fie dezvoltarea bateriilor cu densitate mare de energie si cu densitate de putere acceptabila. Masele si capacitatile bateriilor destinate echiparii vehiculelor electrice sunt prezentate in tabelul 2.2. Cum puterea bateriilor este suficienta pentru a acoperi nevoia de putere a autovehiculelor, devine putin probabil utilizarea supercondensatorilor.

12

Energie Putere, kW @ ef., % Masa, kg Volum Pb Li-ion 89 kWh 89 kWh 122 @ 95 114 @ 90 108 @ 90 2602 1308 635 Mare Mediu Scazut Ni-MH 89 kWh

Tab 2.2 Dimensionarea SSE pentru un VE etalon

2.2.4.

SSE pentru un VEH

Pentru un VEH care folosete ca sursa de energie primara fie un motor sau pile de combustie, SSE este dimensionat n mod diferit n funcie de gradul de hibridizare si de strategia de gestionare a puterii vehiculului. Avnd n vedere faptul c ciclurile de operare ale SSE la un VEH sunt semnificativ mai lungi dect la un VE, durata de viaa a SSE va fi prin urmare o preocupare principala. O abordare pentru a extinde durata de viata a bateriei este incarcarea superficiala care limiteaza functionarea bateriei la un interval relativ restrans de incarcare (5% - 10%) . Din [8+ a rezultat ca durata ciclului de via superficial poate fi mult mbuntit pentru a satisface ateptrile legate de consum la un VEH. Chiar daca nu sunt folosite in comert, supercondensatorii au potentialul de a fi folosite intr-un VEH datorita duratei de via mult mai lungi, care trece 500000 cicluri. In [9] sunt revizuite aplicatiile supercondensatorilor si sunt date indicatii despre dimensionarea acestora la un VEH. Din cauza ca SSE este dependent de vehicul, este dificil a se estima o nevoie specifica de putere la un VEH. SSE de la Toyota Prius din 2004 a foststabilita ca referinta in timp ce alte tehnologii SSE au fost explorate.

Tip Ni-MH

Tensiune modul Capacitate Celule Putere specificata 7,2 V 6 Ah 169 21kW @ 65% Tab 2.3 Specificatiile bateriilor Ni-MH la Toyota Prius

Capacitatea energetica pentru Prius este de 1209,6 Wh. Potrivit conditiilor de operare la o incarcare redusa a bateriei, energia utilizabila este de 60 Wh-120Wh. Eficienta bateriei la 21 kW este de 60%. Din punctul de vedere al numarului de cicluri realizabile, este o diferenta mare intre o baterie si un supercondensator. Relativ la ciclul de via al bateriei, dimensiunea bateriei este mult influentata de cantitatea de energie necesara i de starea sa normal de ncrcare. Dimensionarea supercondensatorilor insa e legata doar de energia utilizabila.

13

Tip Pb Ni-MH Li-ion Supercondensator de putere similara Supercondensator de capacitate similara

Energie nominala, Wh 1419 1209 1200 13,35 90

Energie utilizabila, Wh 71 141 60 120 60 120 13.35 90

Putere, kW 21 21 24 24 160

Masa, kg 54 27 15 3 20

Tab 2.4 Dimensionarea SSE pentru un VEH In acest caz, cererea de energie poate fi usor satisfacuta. In exemplul din figura 2.1 pentru Toyota Prius, este folosit acelasi raport energie putere ca la un vehicul electric. In mod ideal, o combinaie de baterie i supercondensator va ajunge la un punct de la care att puterea cat i energia pot fi ndeplinite simultan. In tabelul 2.5 este prezentata o combinatie de baterii si supercondensatori care ajunge la aceleasi caracteristici de performanta mult mai usor, si care vor fi folosite ulterior. Energie nominala, Wh Putere Masa Ni-MH Supercondensator Total 78.2 11 90 1.9 19 21 1.7 2.4 4.1

Tab 2.5 SSE cu baterie si supercondensator

2.3.

SSE pentru un VEHP

Singura diferenta dintre un VEHP si un VEH este ca primul are o baterie mai mare care permite sa fie incarcata de la o retea de curent electric. In plus fata de cererea de putere si energie al unui VEH, cerintele aditionale legate de capacitatea SSE depind de AME. Cu toate acestea, dimensionarea SSE pentru un VEHP este mult mai complexa din mai multe motive. In primul rand, in AME, nu numai energia dar si puterea constituie o preocupare, deoarece bateria este singura surs de energie pentru cele mai multe operaiuni. In al doilea rand, durata de viata a bateriei este afectata de nivelurile de incarcare si descarcare. Nivelul de descarcare la un 14

VEHP este mult mai mare decat la un VEH, care are descarcari limitate, superficiale. Prin urmare, cerintele de energie si putere sunt satisfacute mai greu, cu o speranta de viata rezonabila a SSE. Mai multe detalii despre cerintele de putere si energie la un VEHP sunt pot fi gasite in alte lucrari. Pentru a explora caracteristicile SSE a unui VEHP, este folosit un VEHP ipotetic, bazat pe Prius. Puterea utilizata in modulul full electric este limitata la 30kW, ceea ce limiteaza viteza si acceleratia. Putere AME, kW Autonomie, km Incarcare, % 30 20 70

Consum echivalent, l/100km(mpg) 2,4 (100) Tab 2.6 SSE cu baterie si supercondensator Cererea de energie poate fi exprimat n urmtoarea ecuaie, in care raportul energie/putere este de 0.2 (6 kWh/30 kW). (2.3) Raportul energie/putere a fost prezentat in figura 2.1. Ca urmare, bateriile sunt mai potrivite pentru a fi folosite ca SSE. Cu toate acestea se pot folosi supercondensatori atunci cand se doreste o viteza si o acceleratie mai mare a vehiculului. Varful de putere in modul full electric va fi mai mare de 30kW fiind necesar un raport mai mic energie/putere.

2.3.1.

Progrese in domeniul tehnologiile SSE

In prezent, trei tipuri de baterii sunt utilizate in mod frecvent: Pb, Ni-MH si Li-ion. In aceeasi ordine se afla si caracteristicile lor legate de performanta, densitate de energie si cost. Din motive economice, bateriile cu PB au fost folosite in cadrul producerii primelor vehicule electrice. Bateriile Ni-MH au inceput sa cunoasca o larga raspandire printre VEH actuale. Intre timp, utilizarea bateriilor Li-ion este limitata la aparatele electronice de mici dimensiuni datorita densitatii de putere ridicata precum si a faptul ca la aceste dimensiuni costul nu este un factor important. Totusi ele au inceput sa apara si in domeniul autovehiculelor rutiere, fiind prezente

15

in constructia unor VEH de calitate superioara. Ca dispozitive de stocare a energiei electrice, bateriile au cateva dezavantaje, printre care gabaritul, densitatea scazuta de energie, randament mic, timp mare de incarcare si durata de viata limitata. O selectie de baterii utilizate in cadrul unor VE si VEH sunt prezentate in tabelul 2.7.

2.3.2.

Baterii cu plumb

Bateria cu plumb este bateria cea mai des intalnita si a fost utilizata pentru a alimenta biciclete, in principal datorita costului scazut per Wh. Bateria cu plumb este foarte solida si durabila, in conditii nominale de utilizare. Rata de autodescarcare a bateriei cu plumb este de asemenea scazuta, aproximativ 5% pe luna, daca nu este folosita. Nu prezinta efect de memorie precum bateriile NiCa. Problemele cu bateriile cu plumb includ densitati scazute de putere si energie, precum si posibila poluare a mediului inconjurator daca ele nu sunt recicliate intr-o unitate specializata.

2.3.3.

Baterii Ni-MH

In prezent, bateriile Ni-MH sunt cele mai folosite pentru a alimenta VEH si VE. Bateriile NiMH au o densitate de energie mai mare decat bateriile cu plumb. Energia specifica (Wh/kg) poate fi cu 400% mai mare decat a unei baterii cu plumb si cu 40%i mai mare decat a unei baterii Ni-Ca. Bateria nu are un impact foarte puternic asupra mediului, in constructia sa intrand materiale care pot fi usor reciclate. Principala problema in cazul bateriilor Ni-MH este legata de cost. Ele se incarca mai greu decat bateriile cu plumb sau cu Ni-Ca si genereaza o cantitate considerabila de caldura. De asemenea, este dificil a aproxima momentul de incarcare completa a bateriilor Ni-MH ceea ce duce la nevoia existentei unui sistem de incarcare mai complex si scump. Eforturile actuale pentru bateriile utilizate in VEH sunt pentru a reduce rezistentele interne si a mari puterea.

16

2.3.4.

Baterii Li-ion

Multi producatori sunt implicati in dezvoltarea unor baterii Li-ion cu aplicare in domeniul autoevehiculelor rutiere. Interesul este concentrat pe bateriile de putere pentru VEH si bateriile de energie mare pentru VE. De exemplu, o baterie Li-ion pentru VE va avea o energie specifica de pana la 150 Wh/kg, in timp ce energia specifica a unei baterii Ni-MH va fi 70 Wh/kg. Marea problema a bateriilor Li-ion este aceea a supraincalzirii in timpul reincarcarii.Producator Utilizare Capacitate, Ah Tensiune, V Energie specifica, Wh/kg Rezistenta, Ohm Putere specifica, W/kg SDI utilizabila, %

PlumbPanasonic Panasonic

VEH VE VEH VE VEH VE VEH VEH VE VEH VE

25 60 6.5 65 12 85 14 12 41 4 90

12 12Ni-MH

26,3 34,2 46 68 45 68 47 77 140 56 105

7,8 6,9 11.4 8.7 10 10 1.1 7 8 3.4 0.93

389 250 1093 240 1000 200 900 1550 476 3920 1344

28

Panasonic Panasonic Ovonic Ovonic Saft

7.2 12 12 13 1.2Li-ion

40 30 20 20

Saft Saft ShunKobe ShunKobe

4 4 4 4

18

SupercondensatorTensiune, V Capaciatate, F Rezistenta, Ohm

Maxwell

2.7

2800

0.48

Tab 2.7 Performantele bateriilor pentru VEH si VE

17

2.3.5.

Supercondensatori

Supercondensatorii sunt condensatori electrochimici. Energia este stocata in stratul dublu format la interfata solid/electrolit. Progresele facute in noi materiale si noile modele de supercondensatori au imbunatatit considerabil capacitatea de stocare a energiei si costul acestui dispozitiv de stocare a energiei electrice in curs de dezvoltare. Comparativ cu condensatorii conventionali, supercondensatorii permit stocarea cu pana la 20 de ori mai multa energie. Alte caracteristici unice ale supercondensatorilor includ operarea fara intretinere, ciclu de viata mai lung si insensibilitate la variatiile de temperatura. Densitatea de energie a supercondensatorilor este inca limitata in comparatie cu bateriile. Scopul pentru dezvoltarea supercondensatorilor este o energie specifica de 5Wh/kg pentru descarcarea de putere mare. Supercondensatorii carbon-carbon sunt disponibili in comert la mai multe companii, incluzand Maxwell, Ness si EPCOS. Capacitanta produselor lor variaza intre 1000-5000 F.

2.4.

Alegerea motorului electric

Motoarele electrice intalnite cel mai des in cazul VE si VEH sunt cele de curent continuu Brushless DC si cele de curent alternativ asincrone AC Induction. Ambele motoare prezinta avantaje si dezavantaje. Ambele tipuri de motoare folosesc module de control trifazate si au o constructie similara a statoarelor. Singurele diferente si in constructia modulelor de control. Iar cand se au in vedere module de control electronice, singurele diferente apar la codul de control (motorul Brushless DC are nevoie de un traductor de pozitie absoluta iar motorul AC Induction are nevoie de un traductor de turatie, acestea avand constructie similara). O alta diferenta principala este aceea ca in timpul functionarii, rotorul Brushless DC genereaza mult mai putina caldura. Racirea este astfel mai facila iar randamentul maxim la putere maxima este mai usor de atins. Motorul Brushless DC poate functiona la putere maxima constructiva, in timp ce motorul AC Induction functioneaza cel mai bine la aproximativ 85% din puterea maxima constructiva. Aceasta inseamna ca randamentul energetic va fi ceva mai mare in cazul motorului Brushless DC. 18

Intr-un motor Brushless DC ideal, campul magnetic generat de magnetii permaneti ar trebui sa poata fi variat: cand este nevoie de cuplu maxim la turatii mici, inductia magnetica (B) ar trebui sa fie maxima, micsorand astfel tensiunile prin motor si invertor. Acest lucru micsoreaza pierderile de si creste randamentul.

In schimb, motoarele AC Induction nu au magneti iar inductia B este variabila, fiind proportionala cu raportul V/f. Asta inseamna ca la sarcini mici, un invertor inteligent poate reduce tensiunea in asa fel incat pierderile electromagnetice sa fie reduse iar randamentul marit. In cazul motoarelor Brushless DC, odata cu cresterea marimii cresc proportional si pierderile electromagnetice, in timp ce la motoarele AC Induction acest lucru nu este neaparat aplicabil. Asadar, motoarele AC sunt preferate acolo unde performantele ridicate sunt necesare; randamentul lor maxim va fi mai scazut decat la motoarele DC, dar randamentul mediu este superior. Un alt dezavantaj al motoarelor DC este costul ridicat al magnetilor permanenti 50$/kg. Acest lucru determina un cost mai mic al motoarelor AC. Datorita capacitatii de a varia inductia B, si costul invertoarelor ar putea fi mai scazut in cazul motoarelor AC. Cum motoarele AC care sunt invartatite, fara a avea excitatie nu produc tensiune (sau produc tensiune foarte mica), ele sunt mai usor de protejat.

19

Bibliografie1. Oprean, I.M., Automobilul modern. Cerine, restricii, soluii, Editura Academiei Romne, Bucureti, 2003. 2. Hirose, K., .a., Overview of Current and Future Hybrid Technology, ATA vol. 55, 2002. 3. Chappini, E., Recupero di energia cinetica sui veicoli, ATA Ingegneria dellautoveicolo, 2005. 4. Broge, J.L., Permo-Drive technology generates energy, SAE OffHighway Engineering, aprilie 2003. 5. Buchholz, K., Smarter military vehicles, SAE Off-Highway Engineering, februarie 2006. 6. Balch, R.C., A. Burke, and A.A. Frank. The affect of battery pack technology and size choices on hybrid electric vehicle performance and fuel economy, 2001 7. Stienecker, A.W., T. Stuart, and C. Ashtiani, An ultracapacitor circuit for reducing sulfation in lead acid batteries for Mild Hybrid Electric Vehicles, 2006 8. Karden, E., et al., Energy storage devices for future hybrid electric vehicles. 2007 9. Douglas, H. and P. Pillay. Sizing ultracapacitors for hybrid electric vehicles. 2005

20