Sistemi ibridi: ripartizione della potenza, rigenerazione e controllo.

0. Cosa spiega questo articolo

• I percorsi energetici degli ibridi in serie, in parallelo e serie-parallelo.

• L'intuizione e i limiti del sistema ibrido Toyota (THS) con ripartizione della potenza tramite un riduttore epicicloidale.

• Il controllo dello stato di carica (SOC), della frenata rigenerativa, dell'avviamento del motore e dei limiti termici e di sicurezza.

1. Quale problema risolve concretamente un sistema ibrido?

Un motore a combustione interna da solo perde efficienza termica a basso carico, bassa velocità e in fase di partenza, mentre un motore elettrico da solo è limitato dalla quantità di energia che una batteria può immagazzinare per chilogrammo, il che limita l'autonomia. Come combinare le due fonti di energia in modo che ciascuna compensi i punti deboli dell'altra? Un sistema ibrido risponde proprio a questa domanda: coordina un motore a combustione interna che converte il carburante in energia meccanica e un motore elettrico che converte l'elettricità della batteria in coppia attraverso molteplici percorsi energetici, mantenendo il motore a combustione interna vicino alle zone di funzionamento più efficienti, inviando l'energia in eccesso alla generazione di energia e restituendo l'energia cinetica del veicolo alla batteria durante la decelerazione.

2. Tre percorsi

Figura 1 — Un ibrido in serie genera energia con il motore a combustione interna e aziona le ruote solo con il motore elettrico; un ibrido in parallelo collega meccanicamente motore a combustione interna e motore elettrico. Un ibrido a ripartizione di potenza combina un riduttore epicicloidale con un percorso elettrico.

3. Differenze tra le architetture

In una configurazione in serie, il motore a combustione interna funge da generatore. e il motore da solo aziona le ruote. Il controllo a bassa velocità è semplice, ma le perdite di conversione da meccanica a elettrica e viceversa sono sempre presenti. Una configurazione in parallelo collega motore e motore elettrico alle ruote tramite frizione, cinghia o ingranaggi coassiali, utilizzando il percorso meccanico in modo efficiente in crociera ma richiedendo cambi di marcia coordinati. I sistemi serie-parallelo commutano o combinano entrambi i percorsi al variare della velocità e del carico.

4. Ingranaggio epicicloidale THS

Toyota spiega che il dispositivo di ripartizione della potenza THS rialloca continuamente la potenza erogata dal motore tra le ruote e un generatore. Un gruppo epicicloidale con ingranaggio solare, corona e portatreno ha il vincolo di velocità

per il numero di denti N_s,N_r. Assegnando il motore, il generatore MG1 e la ruota/motore MG2 a questi elementi, è possibile disaccoppiare la velocità del motore dalla velocità su strada. MG1 può generare mentre il motore rimane vicino a un punto di efficienza, ma rimangono le perdite di conversione e un limite di velocità per MG1.

I progetti reali spesso posizionano il Rapporto di trasmissione N_r/N_s intorno a 2. Se il motore viene mantenuto a una velocità costante ed efficiente mentre la velocità del veicolo (approssimativamente, la velocità di MG2) aumenta, il vincolo sopra riportato mostra che la velocità di MG1 oscilla ampiamente con la velocità del veicolo, fino a quando, superata una certa velocità, il senso di rotazione di MG1 si inverte. Intorno a questo punto di inversione, il flusso di potenza passa da "generazione" (MG1 converte parte della potenza erogata dal motore in elettricità) a "motore" (MG1 funge anche da motore, aggiungendo coppia a MG2) e un singolo gruppo epicicloidale, senza alcuna trasmissione meccanica, produce un rapporto di trasmissione a variazione continua, funzionando come quello che viene spesso chiamato un CVT elettrico.

5. Stato di carica e bilancio energetico

Lo stato di carica può essere approssimato mediante integrazione di corrente come

con corrente di scarica positiva, capacità nominale Q_n e efficienza di carica \eta_c. Stime di produzione Aggiungi temperatura, tensione a circuito aperto, resistenza interna e polarizzazione del sensore di corrente. Se lo stato di carica (SOC) raggiunge il suo limite superiore, la rigenerazione non è disponibile e il motore perde un grado di libertà; il controller mantiene quindi una banda target di SOC.

La maggior parte degli ibridi di serie limita il controllo a una banda ristretta vicino alla metà della capacità reale del pacco batterie (circa il 40-80% della capacità totale, ad esempio), quindi il conducente non vede mai la carica o la scarica completa che la chimica delle celle potrebbe altrimenti gestire. Il margine di sicurezza al limite superiore assorbe la rigenerazione in frenata brusca; il margine di sicurezza al limite inferiore consente al motore di coprire la carenza quando il solo motore non è in grado di soddisfare una richiesta di accelerazione brusca. L'ampiezza di questa banda, in rapporto alla capacità della batteria, è ciò che determina la dimensione della batteria necessaria a ciascun modello.

6. Modalità operative

• Partenza e bassa velocità: la trazione del motore evita lo shock all'avvio del motore.

• Carico medio: sposta il motore verso un punto di efficienza e carica la batteria con l'energia in eccesso.

• Accelerazione brusca: utilizza motore e motore elettrico insieme mentre Monitoraggio della carica della batteria e della temperatura dell'inverter.

• Decelerazione: priorità alla rigenerazione, quindi passaggio alla frenata a frizione al raggiungimento dei limiti di carica, temperatura o ABS.

• Arresto: arresto del motore al minimo e alimentazione dei servizi ausiliari dalla batteria o dall'energia elettrica generata dal motore.

7. Confronto di configurazioni reali

8. Condizioni difficili e sicurezza

I brevi tragitti ripetuti terminano prima che il motore e il sistema di post-trattamento raggiungano la temperatura di esercizio. In autostrada, la batteria contribuisce meno e la sua massa diventa uno svantaggio. Le basse temperature limitano la potenza e la rigenerazione, e il riscaldamento della batteria riduce l'efficienza. L'isolamento ad alta tensione, la disconnessione in caso di incidente, le perdite di carburante, i gas di scarico e le variazioni di coppia dopo l'avviamento richiedono monitor di sicurezza separati.

9. Scelte pratiche

• Città e traffico: dare priorità alla frequenza di rigenerazione, al funzionamento in modalità elettrica a bassa velocità e all'avviamento fluido del motore.

• Autostrade: confrontare l'efficienza termica del motore, le perdite meccaniche e la massa della batteria durante il ciclo di guida.

• PHEV: verificare la potenza di ricarica, l'autonomia elettrica, la modalità di mantenimento dello stato di carica (SOC) e la gestione della batteria a lungo termine.

• Veicoli commerciali: valutare il raffreddamento in salita continua, la facilità di manutenzione e la durata dei freni rigenerativi/a frizione.

10. Riepilogo in tre punti

Gli ibridi combinano un motore a combustione interna e un motore elettrico attraverso percorsi in serie, in parallelo o con ripartizione di potenza.

THS planetario Il cambio disaccoppia la velocità del motore dalla velocità di marcia, distribuendo al contempo la generazione MG1 e la trazione MG2. Stato di carica (SOC), rigenerazione, temperatura, avviamenti e isolamento devono essere controllati congiuntamente affinché l'efficienza teorica si traduca in un reale risparmio di carburante.

Riferimenti

• Annuncio del sistema ibrido Toyota
• Revisione tecnica del Toyota THS-II
• Toyota THS II da 2,0 litri
• Documento tecnico NHTSA THS-II