Sisteme Hibride de Propulsie

Sisteme hibride de propulsie

Conf.dr.ing. Dnu Gabriel Marinescu

1Sisteme alternative de propulsie pentru automobile

SISTEME NECONVENIONALEDE

PROPULSIE I TRANSPORTSisteme hibride de propulsie




Cuprins

Notiuni introductive

1. Principiul general al propulsrii hibride

2. Componentele sistemelor hibride de propulsie

3. Clasificarea sistemelor hibride de propulsie




1. Noiuni introductive privind sistemele hibride de propulsie

Principiul general al propulsrii hibride

Organizarea general a unui sistemul hibrid de propulsie

Sistem de stocareenergie reversibil

Surs de rencrcare

Roimotoare

surs de Energie ireversibil

Rezervor de

energie

Transformatorde energie

ireversibil

surs de Energie reversibil

sistemde

cuplare

Sistemele hibride de propulsie utilizate la automobile sunt sisteme la care energia pentru autopropulsare este furnizat de cel puin dou surse bazate pe principii diferite de generare a energiei.








Surs de rencrcare

Roimotoare


Rezervor de

energie


ireversibil


sistemde

cuplare

Dup cum se poate constata n figura alaturatacele 3 componente principale ale unui sistem hibrid de propulsie sunt urmtoarele:

- Un transformator de energie ireversibil;

- Un sistem de stocare a energiei reversibile;

- Un sistem de cuplare








Surs de rencrcare

Roimotoare


Rezervor de

energie


ireversibil


sistemde

cuplare

Transformatorul de energie ireversibilconstituie un sistem deschis ce utilizeaz un combustibil stocat n rezervor i oxigenul din aer.

El produce energie i emite produi de degradare generai prin reacii chimice.








Surs de rencrcare

Roimotoare


Rezervor de

energie


ireversibil


sistemde

cuplare

Aceast component poate fi:

un motor termic cu ardere intern sau extern, alternativ sau continu;

un generator cu pil cu combustibil;

un generator electrochimic rencrcabil








Surs de rencrcare

Roimotoare


Rezervor de

energie


ireversibil


sistemde

cuplare

Sistemul de stocare a energiei reversibile.

Acest sistem nchis constituie un rezervor ce poate furniza sau primi energie din partea altor componente.

El poate fi: un acumulator electrochimic; un super-condensator; un volant de inerie; un sistem oleo-pneumatic.

In anumite situaii acumulatorul electrochimic poate fi rencrcat de la o surs extern.








Surs de rencrcare

Roimotoare


Rezervor de

energie


ireversibil


sistemde

cuplare

Sistemul de cuplare asigur legtura ntre celelalte dou componente (surse energetice) i roile motoare ale vehiculului.

Acest sistem reversibil poate avea componente mecanice (ambreiaje, cutii de viteze, mecanisme planetare, pompe) i/sau componente electrice (motoare, generatoare etc)

Caracterizarea i clasificarea sistemelor hibride se poate face n funcie de tipul transformatorului de energie, tipul sistemului de stocare i tipul sistemului de cuplare.





Componentele sistemelor hibride de propulsie

Transformatorul de energie

Aceast component are pentru sistemul hibrid de propulsie rolul de a furniza total sau parial energia necesar autopropulsrii vehiculului.

Ea trebuie s dispun de o energie masic i volumic sporit.

Transformatoare de energie pentru propulsia automobilelor





Componentele sistemelor hibride de propulsie: Transformatorul de energie

n tabelul alaturat sunt prezentate sintetic principalele soluii tehnologice posibile de transformatoare de energie.

Principalele tipuri de transformatoare de energie sunt:

Mainile termice;Pilele sau generatoarele electrochimice







Mainile termice Acestea transform energia chimic a combustibilului n energie mecanic prin oxidarea atomilor de carbon cu ajutorul oxigenului coninut n aer.

Mainile termice pot fi clasificate dup modul de ardere sau dup funcionarea lor mecanic astfel:

-Motoare cu ardere intern ciclic (alternativ);- Motoare cu ardere continua






Motoare cu ardere intern ciclic (alternativ)cu ciclul de funcionare n 2 timpi sau n 4 timpi, cu aprindere comandat (prin scnteie) sau prin comprimare (cu injecie direct sau indirect) alimentate cu combustibil lichid sau gazos.

Randamentele maxime pot atinge 35-40%. Acest tip de transformator este utilizat la majoritatea hibridelor;






Motoare cu ardere intern, continu- Turbina cu gaze

Mainile rotative utilizate sunt bazate n general pe soluia centrifugal pentru compresor i radial pentru turbin.

Ele pot fi cu o treapt sau cu dou trepte, cu recuperator rotativ sau cu recuperator static, alimentate cu combustibil lichid sau gazos.

Randamentele obinute ating astzi 30% pentru puteri cuprinse ntre 40-100kW.

Randamentele ateptate n viitor vor fi de peste 40% iar emisiile vor fi reduse simitor mulumit arderii catalitice;






Motorul cu ardere extern continu- Motorul Stirling

Este o masina termica cu piston (pistoane) in miscare alternativa la care evolutia gazului (pur) are loc in circuit inchis;

Gazul este supus la o diferenta de temperatura intre o sursa caldasi una rece;

Caldura este transmisa de la un incalzitor fie printr-un schimbatorde caldura fie direct prin peretii partii superioare a cilindrului;

Comprimarea si dilatarea gazului determina miscarea pistoanelor

Acesta permite atingerea unor randamente ridicate de pn la 40% i emisii poluante reduse ca urmare a arderii continue.





Motorul cu ardere extern continu- Motorul Stirling

Industrializarea sa poate pune probleme legate de temperatura de funcionare (ce trebuie s fie ct mai ridicat) i de dificultatea realizrii unei bune etaneiti n interiorul mainii.

O societate suedez a produs n anii 90 motoare Stirling de putere redus cuplate la un generator electric.

O putere electric de 8 KW poate fi obinut cu un randament global de 33% i cu emisii poluante reduse.






Pilele sau generatoarele electrochimice.Aceste componente transform energia chimic coninut n produii reactivi direct n energie electric.

Pentru propulsia electric i hibrid se disting urmtoarele tipuri de generatoarele electrochimice:

-pila cu combustibil;

- generatorul zinc-aer






Pila cu combustibil este un generator electrochimic la care produsele reactive (hidrogenul i oxigenul din aer) provin din sistemul de stocare exterior i din aerul ambiant.Hidrogenul poate fi:-stocat direct la bord (sub presiune, sub form criogenic, sau prin intermediul hidrurilor metalice);

- obinut prin reformarea metanolului, gazului natural, motorinei sau benzinei.

Randamentul pilei poate atinge 45-55%.

La ora actual exist mai multe realizri bazate pe pila cu combustibil pentru autoturisme i autobuze urbane.






Generatorul zinc-aer este un generator electrochimic care utilizeaz un anod de zinc i oxigenul din aer.

Acest generator electrochimic are foarte bune performane specifice (200 Wh/kg i 100 W/kg) i poate fi rencrcat mecanic n cteva minute prin schimbarea anozilor de zinc.

Tratarea prin dizolvare i electroliz permite reciclarea zincului pentru noi rencrcri.






n tabelul alaturat sunt prezentate sintetic principalele soluii tehnologice posibile de transformatoare de energie.

Putem constata c anumite configuraii permit obinerea direct a energiei electrice sau mecanice dorite (cazul 4 i 2) ele fiind cele mai performante din punct de vedere al randamentului, masei i volumului.

Alte soluii necesit o conversie de energie, fiind utilizate chiar dac au randamente mai reduse (1, 3, 5).

Soluia n care au loc dou transformri de energie succesiv (cazul 6) este evitata.







Componentele sistemelor hibride de propulsieSistemul de stocare a energiei reversibile (acumulatorul)

n cazul unui sistem hibrid de propulsie, componenta care asigur stocarea energiei reversibile poarta denumirea de acumulator si are urmtoarele funciuni:

-Asigur energia necesar deplasrii vehiculului atta timp ct nu este utilizat transformatorul de energie ireversibil. Acumulatorul va trebui n acest caz s furnizeze energia necesar cu un nivel al puterii la care pot fi atinse performanele dinamice dorite.

- Controleaz diferena ntre puterea instantanee impus de dinamica vehiculului i cea eliberat de transformatorul de energie, furniznd sau absorbind puterea suplimentar.

- Permite stocarea unei cantiti de energie obinut prin recuperarea unei pri din energia cinetic a vehiculului n perioadele de frnare sau decelerare.





Principalele tipuri de acumulatoare utilizate pentru stocarea energiei sunt urmtoarele:

-Acumulatorul de energie electric;

-Acumulatorul de energie mecanic;

- Acumulatorul de energie hidraulica

Sisteme de stocare a energiei pentru propulsia automobilelor







Acumulatorul de energie electric

Acest tip de acumulator transform energia chimic coninut n materiale din componenta sa(electrozi i electrolit) n energie electric.

Dupa caracteristicile energetice i puterea masic se disting dou familii de acumulatoare:

-Bateria de acumulatoare electrochimice

- Supercapacitorul






Bateria de acumulatoare electrochimice

n cazul acestor acumulatoare n reaciile chimice care se produc n timpul ncrcrii sau descrcrii intervin materialele electrozilor.

n consecin, energia disponibil este ridicat iar puterea furnizat este limitat de difuzarea sarcinilor prin suprafaa electrozilor.

12 V






Supercapacitorul este un acumulator electrostatic la care sarcinile electrice sunt stocate la suprafaa electrozilor sub forma unui strat ionic.

Absena rezistenei de difuzie n suprafaa materialelor permite obinerea unor puteri de ncrcare i descrcare foarte mari.






Acumulatorul de energie mecanic.

La acest tip de acumulator stocarea este realizat sub form de energie cinetic ntr-un volant metalic sau din material compozit care se rotete cu o turaie mare (de ordinul a 30.000-40.000 rot/min) ntr-o incint izolat.

Acest acumulator ofer foarte bune performane n ceea ce privete puterea masic i durata de via, avnd totui n acelai timp o energie masic sczut.






Acumulatorul de energie mecanic

Sistemele actuale mecano-electrice dispun de o main electric reversibil (motor/generator) n butucul rotorului i paliere cu sustentaie magnetic, construcie ce permite sporirea randamentului stocrii i reducerea volumului ansamblului.






Acumulatorul de energie hidraulic.

Stocarea energiei la un astfel de acumulator este realizat prin comprimarea unui gaz ntr-un rezervor ce conine un fluid, ncrcarea i descrcarea acumulatorului fiind efectuat cu ajutorul unui agregat hidrostatic reversibil motorpomp.

Acest acumulator prezint performane foarte bune n ceea ce privete puterea masic i durata de via. Punctele slabe sunt legate de energia masic redus i de marea complexitate a sistemului.






n tabelul alaturat sunt prezentate principalele tipuri de sisteme de stocare a energiei.

Putem observa c unele soluii nu necesit transformarea (cazul A i I) care sunt foarte bune ca randament, mas i volum.

Soluiile cu dubl transformare (cazul C i G) sunt de evitat.

Soluiile intermediare (cazul B, D, E, F, H) sunt necesare cnd se dorete stocarea energiei ntr-o form diferit; ele sunt utilizate foarte frecvent.

Sisteme de stocare a energiei pentru propulsia automobilelor





Componentele sistemelor hibride de propulsieSistemul de cuplare a surselor de energie

Sistemul de cuplare are rolul de a asigura transferul si transformrile de energie ntre roile motoare i celelalte dou componente.

Sisteme de cuplare pentru sisteme hibride de propulsie





Componentele sistemelor hibride de propulsieSistemul de cuplare a surselor de energie

Aceast cuplare se poate face prin:

- Printr-o legtur nereversibil ntre transformatorul de energie i roile motoare, ce face posibil autopropulsarea autovehiculului;

-Printr-o legtur reversibil ntre acumulatorul de energie i roile motoare, care este utilizat pentru autopropulsarea vehiculului sau recuperarea energiei de frnare;

-Printr-o legtur nereversibil ntre transformatorul de energie i acumulator care este utilizat pentru eventuala rencrcare la oprirea vehiculului;






Componentele sistemelor hibride de propulsiec. Sistemul de cuplare a surselor de energie

Dup cum este artat n figura alaturata sistemul de cuplare are trei legturi distincte cu exteriorul prin acestea fiind transferata sitransformat energia n forme diferite. Acestea sunt:

-o legtur cu transformatorul de energie prin care este transferat dup caz energia mecanic, electric sau hidraulic;

- o legtur cu sistemul de stocare a energiei prin care este transferat dup caz energia mecanic, electric sau hidraulic.

- o legtur cu roile motoare prin care este transferat energia sub form mecanic.



Surs de rencrcare

Roimotoare


Rezervor de

energie


ireversibil


sistemde

cuplare






n tabelul alaturat sunt prezentate diferite soluii de sisteme de cuplare difereniate n funcie de energia transferat prin cele trei legturi.







Putem vedea c soluia ce utilizeaz energia mecanic se distinge de celelalte dou prin faptul c nu necesit nici o transformare a formei de energie.

Legtura transformatorului de energie cu roile motoare va fi deci asigurat numai pe cale mecanic, sistemul de cuplare fiind pur i simplu intercalat n transmisie.

n aceast situaie sistemul de stocare va fi deci n paralel cu legtura transformator - roi motoare, caz n care arhitectura este denumit ca hibrid paralel.







In cazul celorlalte dou soluii, energia produs de transformator va fi integral convertit ntr-o form de energie compatibil cu cea schimbat de sistemul de stocare fiind necesar n final o transformare n energie mecanic.

Aceast arhitectur poart denumirea de hibrid serie.

Putem vedea c n aceast configuraie sistemul de stocare (acumulatorul) este plasat n paralel cu legtura generator de energie roimotoare.





Noiuni introductive privind sistemele hibride de propulsie

Clasificarea sistemelor hibride de propulsie

Datorit faptului c automobilul cu propulsie hibrid trebuie s ofere prestaii similare celui clasic in special in privina autonomiei principalele configuraii vor trebui s includ motoare termice astfel nct ele vor fi de tip:

-termic-electric;- termic-hidraulic;-termic-pneumatic.

Dintre acestea, n domeniul propulsiei rutiere s-au dezvoltat i aplicat n fabricaie de serie n special sisteme de tip termic-electric.





6.1.3. Clasificarea sistemelor hibride de propulsie

Avantajele pentru care a fost promovat configuraia termic electric sunt urmtoarele:

- Punerea la dispoziie a dou lanuri de traciune ale cror performane sunt complementare, adic:

-Lanul termic, caracterizat de autonomie sporit mulumit energiei masice a hidrocarburilor lichide (de ordinul de 10.000 Wh/kg fa de 100-200 Wh/kg pentru un acumulator electrochimic) i uurin de realimentare energetic (umplerea rezervorului se face n citeva minute);

- Lanul electric, caracterizat de un cuplu mare la pornirea din loc, suplee n comand, posibilitatea recuperrii unei pri din energia cinetic a vehiculului n perioada de decelerare i de frnare, poluare ZERO a atmosferei la locul de exploatare, zgomot redus n funcionare;






- Optimizarea funcionrii sistemului ce permite combinarea avantajelor celor dou lanuri de traciune minimiznd impactul dezavantajelor;

- Propunerea de vehicule ce dispun de funciuni suplimentare n raport cuvehiculele clasice, ceea ce permite acceptarea lor de ctre pia, cunoscute fiind costurile suplimentare la achiziie i mentenan;

- Transferarea consumului de la hidrocarburi ctre alte tipuri de energie primar prin intermediul unor vectori ca electricitatea sau hidrogenul n cazul hibridelor cu pil cu combustibil.






Un prim criteriu de clasificare a hibridelor cel mai frecvent utilizat, este n funcie de modul de cuplare al celor dou lanuri de propulsie transformator sistem de cuplare roi dinate i sistem de stocare sistem de cuplare roi motoare.

Astfel distingem:

- hibridul serie pentru o legtur de cuplare prin care este transferat energia sub form de energie electric sau presiune;

- hibridul paralel pentru o legtur de cuplare prin care este transferat energia sub form de energie mecanic;

- hibridul mixt serie paralel sau dual mode pentru cuplri ce permit cele dou configuraii.






O astfel de clasificare nu este suficient la ora a actual avnd n vedere c hibridele de tip paralel, spre exemplu, au o multitudine de arhitecturi ce nu pot fi difereniate dect innd cont de modurile de funcionare ale sistemului.

Pe de alt parte, cum motorizrile hibride sunt concurente motorizrilor clasice n ceea ce privete consumul, emisiile poluante sau costurile (de achiziie i de mentenan) este propus si o clasificare dup funciunile complementare pe care le pot aduce.






Astfel aceste funciuni pot fi mprite n dou categorii, anume:

-funciuni ce particip numai la scderea consumului de combustibil i a emisiilor poluante ale vehiculelor. Pentru conductor, un astfel de vehicul nu este diferit de vehiculul clasic cu motor termic n afara performanelor de consum i emisii poluante, caz n care vorbim de hibride discrete.

- funciuni care aduc beneficii suplimentare n ceea ce privete:- domeniul de utilizare prin ptrunderea n zone restrictive;

- limitarea sau anularea total a polurii n zona de funcionare n beneficiul populaiei locale;

- limitarea consumului de energie convenional (fosil) i a polurii globale n folosul colectivitii.

Documents

Sisteme Hibride de Propulsie