Toyota Prius Plug-In [PDF]

Zitiervorschau

Toyota Prius Plug-In (PHEV)

GENERALITATI Un vehicul de acest tip, “plug-in hybrid electric vehicle” (PHEV) sau “plug-in hybrid vehicle” (PHV), cum sunt denumite în limba engleză, reprezintă un vehicul hibrid care foloseste baterii de acumulatori, sau alt tip de unitate de stocare a energiei, care poate fi reîncărcată dacă se conectează la o sursă externă de energie electrică, care uzual este o instalație electrică normală, cum este cea dintr-o locuință. Majoritatea vehiculelor de acest tip care circulă și sunt comercializate în prezent sunt autoturisme, dar există variante de vehicule plug-in sub formă de vehicule comerciale, camioane, autobuze, trenuri, motociclete și mopede, precum și vehicule cu destinație militară.

Figura 1 – Varianta PHEV a modelului Swift produs de Suzuki

Vehiculele hibride plug-in folosesc acumulatoare de capacitate ridicată ce le permite folosirea energiei electrice de la rețea și parcurgerea unor distanțe semnificative cu propulsie pur electrică. Estimările arată că pentru a încărca bateriile unui astfel de vehicul pentru a rula doar cu tracțiune electrică costurile reprezintă mai puțin de un sfert din costurile aferente benzinei pentru a parcurge aceeași distanță, ceea ce face vehiculele PHEV mai eficiente, mai economice și mai ecologice decât cele hibride electrice convenționale. Vehiculele hibride plug-in folosesc acumulatoare de capacitate ridicată ce le permite folosirea energiei electrice de la rețea și parcurgerea unor distanțe semnificative cu propulsie pur electrică.

Totodată poluarea și influențele negative asupra mediului înconjurător produse de aceste vehicule sunt net inferioare celor corespunzătoare vehiculelor convenționale, drept pentru care multe state încurajează achziționarea unor astfel de vehicule prin scutiri sau reduceri de taxe, ba chiar prin subvenționarea împrumuturilor în vederea achiziției vehiculelor PHEV.

Figura 2 – Principalele componente ale sistemului de propulsie al unui autovehicul PHEV

Autovehiculele PHEV au la bază aceleași soluții de organizare ca și vehiculele hibride convenționale, și anume:  

Paralel – motorul termic și cel electric sunt conectate la roți prin legături mecanice; ambele surse de energie pot propulsa vehiculul în mod direct; Serie – doar motorul electric este legat direct la roți, iar energia electrică necesară acestuia este dată de un generator alimentat de motorul termic.

În general, aceste vehicule pot avea următoarele moduri de operare: a. Modul electric(descărcare): Permite unul vehicul PHEV cu bateriile complet încărcate să funcționeze cu tracțiune exclusiv electrică, până în momentul în care starea de încărcare a bateriilor atinge un anumit nivel prestabilit, la care se pune în funțiune motorul cu ardere internă.

b. Modul cu ambele surse simultan: Permite atingrea vitezelor mari, sau pentru alte situații în care este necesară o forță mai mare de tracțiune. c. Modul de conservare a energiei: Combină utilizarea celor două surse de energie ale autovehiculului pentru a opera în cel mai eficient mod cu putință, fără a permite bateriilor de acumulatori să se descarce sub un anumit nivel. d. Moduri mixte între cele descrise mai sus. PRIUS – Descriere generala

Probabil cel mai exponent al categoriei vehiculelor PHEV este modelul Toyota Prius Plug-in Hybrid (Prius PHV), un automobil de tip hibrid electric plug-in de dimensiuni medii produs de compania japoneză Toyota Motor Company, introdus pe piață în anul 2012, construit pe platforma modelului Prius, generația a treia. Acesta este echipat cu un pachet de baterii de acumulatori litiu-ion cu o capacitate de a înmagazina energie de 4.4 [kWh], construite în colaborare cu Panasonic, o altă companie japoneză de prestigiu.

Acest model oferă o autonomie în modul de propulsie doar electrică (all-electric range) de până la 25 de kilometri, la viteze de până la 100 de km/h, precum și posibilitatea unei încărcări rapide și ușoare de la rețeaua de energie electrică, a bateriilor de acumulatoare. Acest lucru este posibil prin intermediul unei prize obișnuite de curent alternativ (15 amperi). Funcționarea în modulul electric oferă confortul și silențiozitatea unui autovehicul electric, menținând spațiul destinat pasagerilor și bagajelor disponibil la versiunile anterioare ale modelului Prius.

Toyora a păstrat sistemul de propulsie Hybrid Synergy Drive de la versiunile anterioare, dar a adus modificări majore bateriilor de acumulatori, versiunile precedente fiind dotate cu baterii NiMH (versiunea Plug-In beneficiază de tehnologia Li-ion). Comform producătorului, modelul Prius Plug-In poate realiza un consum de combustibil de 2.10 [L/100 km] si emisii de dioxid de carbon cu valori de 49 [g/km], valori înregistrate comform noului ciclu european (NEDC – New European Driving Cycle).

MOTORUL TERMIC

Sistemul THS implementat pe acest model include un motor termic DOHC (double overhead camshaft) cu 16 supape, cu o capacitate de 1800 de centimetri cubi, alimentat cu benzină, ce beneficiază de un sistem de distribuție variabilă de tipul VVT-i (Variable Valve Timing with inteligence). Puterea maximă dezvoltată de acest motor este de 98 de cai putere, la o turație de 5200 de rotații pe minut, și un moment motor maxim de 142 de newton-metri, la turația de 4000 de rotații pe minut. Legătura dintre sistemele de propulsie și roți este realizată de o transmisie de tip ECVT (Electronically Controlled continuously Variable Transmission.

Motorul termic Cod de identificare Arhitectura Sistem distribuție Dispunere supape Capacitate cilindrică

2ZR-FXE – Ciclu Atkinson 4 cilindri in linie, bloc motor și chiulasa din aluminiu 16 supape, DOHC, VVT-i (distribuție variabilă) 4 supape la fiecare cilindriu 1798 cmc

Alezaj x Cursă

80,5 x 88,3 mm

Putere maximă

98 CP la 5200 rpm

Cuplu maxim

142 Nm la 4400 rpm

Combustibil recomandat

87 CO, fără plumb

Printre componentele principale ale sistemului Hybrid Synergy Drive se numără și cele două mașini electrice reversibile, după cum urmează: 



Motorul electric MG2, cu o putere maximă de 60 [kW] ce are ca rol principal dezvoltarea forțelor de tracțiune pentru propulsia autovehiculului, dar și generarea de curent pentru încărcarea bateriilor în timpul frânării recuperative. Generatorul electric MG1, cu o putere maximă de 42 [kW], al cărui rol este de a furniza curentul electric pentru incărcarea bateriilor, cât și de a porni motorul termic.

În timpul rulării cu propulsie pur electrică, la atingerea unui anumit nivel al stării de încărcare a bateriilor (SOC – State of charge), se trece automat în modul hibrid. Puterea netă pe care o poate dezvolta vehiculul este de 134 de cai putere, permițând acestui model să aibă performanța de a accelera de la 0 la 100 de kilometrii pe oră, în 10.7 secunde, iar viteza maximă pe care o poate atinge este de 180 km/h (100 km/h în modul electric). Prius Plug-in are trei regimuri în care poate funcționa: unul complet electric (EV) și două moduri de funcționare hibridă (Eco și Power). Modul electric poate fi selectat de către utilizator, iar în acest mod, unitatea de control comandă folosirea doar a motorului MG2 pentru a propulsa vehiculul, asta întâmplându-se doar dacă anumite criterii sunt îndeplinite, precum: starea de încărcare a bateriilor să fie peste un anumit nivel, viteza de rulare a vehiculului să fie sub un anumit nivel, etc. Modul Eco are ca scop reducerea pe cât posibil a consumului de combustibil, în toate condițiile de rulare. Acesta modifică răspunsul la pedala de accelerație, reduce deschiderea clapetei obturatoare pană la o valoare de 11.6%. Modul Power amplifică răspunsul pedalei de accelerație pentru obținerea unor performanțe îmbunătățite.

1. EV Plug-in charging: bateriile pot fi încărcate complet în aproximativ 3 ore, folosind un cablu special legat la rețeaua de energie electrică; 2. EV Normal driving: dacă bateriile sunt încărcate suficient, vehiculul va funcționa doar cu propulsie electrică 3. EV Hard acceleration: dacă viteza vehiculului depășește 100 de km/h, sau se acționează brusc pedala de accelerație, puterea va fi împărțită între motorul electric și termic; 4. HV Starting: în timpul accelerărilor ușoare la viteze mici, vehiculul este propulsat de motorul electric, cel termic fiind oprit; 5. HV Normal driving: în timpul rulării obișnuite, vehiculul este propulsat în principiu de motorul termic, acesta totodată alimentează cu energie mecanică generatorul care încărcă bateriile; 6. HV Acceleration: în timpul accelerărilor puternice, sau urcării rampelor, ambele motoare, atât cel termic cât și cel electric furnizează puterea necesară propulsiei; 7. HV Deceleration: în timpul frânărilor, vehiculul recuperează energia cinetică de la roțile punții față, pentru a produce energie electrică necesară încărcării bateriilor; 8. HV Stopping: când vehiculul este staționat, ambele motoare sunt oprite, dar vehiculul rămâne operațional. Se observă că modelul Toyota Prius Plug-In are în total un număr de opt moduri de funcționare.

COMPONENTE THS

1. Baterie de acumulatori auxiliară (12 V) - Localizare: În partea dreaptă a portbagajului - Descriere: O baterie cu plumb și acid ce furnizează energie electrică la consumatorii mici. 2. Baterie de acumulatori a sistemului hibrid - Localizare: Sub portbagaj - Descriere: O baterie de acumulatori de tip Li-ion cu tensiunea nominală de 207.2 V, alcătuită din celule a câte 3.7 V fiecare, legate în serie. 3. Cabluri de putere - Localizare: Sub habitaclu și în compartimentul motor - Descriere: Cabluri de putere, de culoare portocalie, ce transportă curent continuu la tensiune înaltă, între bateria sistemului hibrid, invertor/convertor și compresorul instalației de climatizare. Aceste cabluri transportă de asemenea curent alternativ trifazat între invertor/convertor, motorul electric și generator. 4. Invertor/convertor - Localizare: Compartimentul motor - Descriere: Convertește curentul direct de la bateria sistemului hibrid în curent alternativ trifazat pentru alimentarea motorului electric. De asemenea convertește curentul alternativ de la generatorul electric în curent continuu pentru încărcarea bateriilor. 5. Motorul termic - Localizare: Compartimentul motor - Descriere: Îndeplinește două funcții

6.

7.

8.

9.

i. Propulsează vehiculul ii. Produce energia mecanică necesară generatorului pentru încărcarea bateriilor Motorul electric - Localizare: Compartimentul motor - Descriere: Motor electric reversibil, de curent alternativ trifazat, de înaltă tensiune, ce dezvoltă forțe de tracțiune pentru propulsie electrică Generator electric - Localizare: Compartimentul motor - Descriere: Motor electric reversibil, de curent alternativ trifazat, de înaltă tensiune, ce produce curentul electric necesar încărcării bateriilor Compresorul instalației de climatizare (cu invertor) - Localizare: Compartimentul motor - Descriere: Motor compresor de curent alternativ trifazat. Rezervor și conducte de combustibil - Localizare: Sub habitaclu - Descriere: Rezervorul are rol de stocare a combustibilului, iar conductele transportă combustibilul de la rezervor la motorul termic.

BATERIA HIBRIDĂ

Modelul Prius Plug-in este dotat cu o baterie de acumulatori pentru sistemul hibrid de înaltă tensiune, ce beneficiază de celule Litiu-ion de ultimă generație și are o capacitate de 4.4 kWh. Aceasta este montată sub porbagaj și cântărește aproximativ 80 de kilograme, comparativ cu bateria prezentă pe a treia generație de Prius, care avea o capacitate de 1.3 kWh și cântărea aproximativ 42 de kilograme.

O încărcare completă de la o priză de curent alternativ (rețea de energie electrică) durează aproximativ 2.5-3 ore în cazul rețelelor americane ce funcționează la 120V și 15A, sau 1.5 ore în cazul sistemelor europene de 220-230 V. Deși are o capacitate nominală de 4.4 kWh, bateria necesită aproximativ 3.4 kWh pentru a fi încărcată complet, deoarece bateriile de tip Li-ion nu pot fi descărcate complet. Mufa pentru conectarea cablului de încărcare este situată pe aripa din partea dreaptă, în spate și include iluminare LED în cazul încărcării pe timp de noapte.

Bateria este protejată de o carcasă metalică și este montată fix sub portbagaj, în spatele banchetei pentru pasageri. Carcasa metalica este izolată electric și acoperită de mochetă în partea dinspre banchetă. Bateria este alcătuită din celule Li-ion cu tensiunea de 3.7V fiecare, conectate în serie-paralel pentru a produce aproximativ 207.2 V. Fiecare celulă este închisă etanș și protejată de carcasa metalică. Electrolitul aflat în interiorul bateriei este un material organic inflamabil, dar este bateria este proiectată ca acesta să fie absorbit de separatoarele celulelor, și nu va suferi scurgeri, nici în caz de accident.

Bateria de acumulatori a sistemului hibrid Tensiune 207,2 V Număr de celule Li-ion Tensiunea unei celule Dimensiunile unei celule Greutatea unei celule

56 celule 3,7 V 105 x 148 x 27 mm 746 g

Dimensiunile ansamblului bateriei 747 x 984 x 176 mm Greutatea ansamblului bateriei

76 kg

SISTEMUL DE ÎNCĂRCARE Automobilul este livrat împreună cu un calbu de conectare a bateriilor de acumulatori la rețeaua de energie electrică, pentru încărcare. Conectarea în vederea încărcării se face prin mufa situată pe aripa din partea dreaptă, din spate. Cablul pentru încărcare cântărește aproximativ 1.7 kg, are o lungime totală de 7.3 m , iar portbagajul vehiculului este prevăzut cu un compartiment special pentru depozitarea cablului. Totodată, sistemul de încărcare este prevăzut și cu un cronometru ce poate fi programat să realizeze încărcarea propriu-zisă întrun anumit interval orar. În continuare voi enumera și descrie componentele sistemului de încărcare a bateriilor hibride, comform figurii de mai jos.

1. Mufa pentru încărcare - Localizare: Aripa din spate, pe partea pasagerului. - Descriere: Conectează vehiculul la cablul pentru încărcare 2. Cablul de putere pentru încărcare - Localizare: În spatele aripii din spate, pe partea pasagerului - Descriere: Realizează conexiunea dintre mufa de încărcare și sistemul de încărcare implementat pe vehicul 3. Ansamblul de încărcare - Localizare: Dedesubtul bateriilor de acumulatori ale sistemului hibrid - Descriere: Amplifică puterea electrică și convertește curentul din alternativ în continuu, pentru a încărca bateriile și pentru a alimenta compresorul instalației de climatizare; 4. Ansamblul cablului de încărcare - Localizare: Se depozitează în compartimentul special destinat din portbagaj - Descriere: Realizează conexiunea dintre o rețea externă de energie electrică și mufa de alimentare a vehiculului. 5. Indicatorul de încărcare: - Localizare: Lângă mufa de încărcare. - Descriere: Luminează continuu, intermitent, sau nu luminează deloc, pentru a indica starea procesului de încărcare. De asemenea luminează pentru a transmite stare de funcționare a sistemului de climatizare de la distanță. 6. Unitatea de control a sistemului de încărcare - Localizare: Dedesubtul bateriilor de acumulatori ale sistemului hibrid - Descriere: Controlează sistemul și implicit procesul de încărcare.