Sistemas Híbridos — Divisão de Potência, Regeneração e Controle

0. O que este artigo explica

• Os caminhos de energia dos híbridos em série, paralelo e série-paralelo.

• A intuição e as limitações da divisão de potência do Sistema Híbrido Toyota (THS) por meio de uma engrenagem planetária.

• Controle do estado de carga (SOC), frenagem regenerativa, partidas do motor e limites térmicos e de segurança.

1. Qual problema um híbrido realmente resolve?

Um motor a combustão sozinho perde eficiência térmica em baixa carga, baixa velocidade e na partida, enquanto um motor elétrico sozinho é limitado pela quantidade de energia que uma bateria pode armazenar por quilograma, o que limita a autonomia. Como as duas fontes de energia devem ser combinadas para que cada uma compense a outra? É exatamente isso que um sistema híbrido responde: ele coordena um motor a combustão que converte combustível em energia mecânica e um motor elétrico que converte a eletricidade da bateria em torque por meio de múltiplos caminhos de energia, mantendo o motor a combustão próximo às suas regiões de operação eficientes, enviando o excedente de energia para geração e devolvendo a energia cinética do veículo para a bateria durante a desaceleração ... ## 2. Três caminhos

Figura 1 — Um híbrido em série gera energia com o motor a combustão e aciona as rodas somente com o motor elétrico; um híbrido em paralelo conecta o motor a combustão e o motor elétrico mecanicamente. Um híbrido com divisão de potência combina uma engrenagem planetária com um circuito elétrico.

3. Como as arquiteturas diferem

Em um layout em série, o motor a combustão é um gerador e o motor elétrico aciona as rodas sozinho. O controle em baixa velocidade é simples, mas As perdas de conversão mecânica-elétrica-mecânica estão sempre presentes. Um sistema paralelo conecta o motor e o gerador às rodas por meio de uma embreagem, correia ou engrenagens coaxiais, utilizando o caminho mecânico de forma eficiente em velocidade de cruzeiro, mas exigindo trocas de marcha coordenadas. Sistemas série-paralelo alternam ou combinam ambos os caminhos conforme a velocidade e a carga mudam.

4. Engrenagem planetária THS

A Toyota explica que o dispositivo de divisão de potência THS realoca continuamente a potência do motor entre as rodas e um gerador. Um conjunto planetário com soleira, anel e porta-satélites tem a restrição de velocidade

para a contagem de dentes N_s,N_r. Atribuir o motor, o gerador MG1 e a roda/motor MG2 a esses elementos torna possível desacoplar a rotação do motor da velocidade do veículo. O MG1 pode gerar energia enquanto o motor permanece próximo a um ponto de eficiência, mas a perda de conversão e o limite de velocidade do MG1 permanecem.

Projetos reais frequentemente definem a relação de contagem de dentes N_r/N_s em torno de 2. Se o motor for mantido a uma velocidade constante e eficiente enquanto a velocidade da estrada (aproximadamente, a velocidade de MG2) aumenta, a restrição acima mostra a velocidade de MG1 oscilando amplamente com a velocidade da estrada, até que, após uma certa velocidade, o sentido de rotação de MG1 se inverta. Em torno desse ponto de inversão, o fluxo de potência muda de "geração" (MG1 converte parte da saída do motor em eletricidade) para "motorização" (MG1 também atua como um motor, adicionando torque a MG2) — e um único conjunto planetário, sem nenhuma transmissão mecânica, produz uma relação continuamente variável, funcionando como o que é frequentemente chamado de CVT elétrico.

5. SOC e balanço energético

O estado de carga pode ser aproximado pela integração da corrente como

com corrente de descarga positiva, capacidade nominal Q_n e eficiência de carga \eta_c. Os estimadores de produção adicionam temperatura e circuito aberto. tensão, resistência interna e polarização do sensor de corrente. Se o SOC atingir seu limite superior, a regeneração fica indisponível e o motor perde um grau de liberdade; portanto, o controlador mantém uma faixa de SOC alvo.

A maioria dos híbridos de produção restringe o controle a uma faixa estreita próxima ao meio da capacidade real da bateria (aproximadamente 40-80% da capacidade total, por exemplo), de modo que o motorista nunca vê a carga ou descarga total que a química da célula poderia suportar. A margem superior absorve a regeneração em frenagens bruscas; a margem inferior permite que o motor elétrico cubra a falta quando o motor a combustão sozinho não consegue atender a uma demanda de aceleração forte. A largura dessa faixa, em relação ao tamanho da bateria, é o que determina o tamanho da bateria necessário para cada modelo.

6. Modos de operação

• Lançamento e baixa velocidade: o acionamento do motor elétrico evita o choque da partida do motor a combustão.

• Carga média: move o motor a combustão para um ponto eficiente e carrega a bateria com a energia excedente.

• Aceleração forte: usa o motor a combustão e o motor elétrico juntos, monitorando a energia da bateria e do inversor. temperatura.

• Desaceleração: priorize a regeneração e, em seguida, faça a transição para a frenagem por fricção nos limites de SOC (estado de carga), temperatura ou ABS.

• Parada: pare o motor em marcha lenta e alimente os auxiliares com a eletricidade gerada pela bateria ou pelo motor.

7. Comparando configurações reais

8. Condições difíceis e segurança

Percursos curtos e repetidos terminam antes que o motor e o sistema de pós-tratamento aqueçam completamente. Em rodovias, a bateria contribui menos e sua massa se torna uma desvantagem. Condições de frio limitam a potência e a regeneração, e o aquecimento da bateria reduz a economia de combustível. Isolamento de alta tensão, desconexão em caso de colisão, vazamentos de combustível, emissões e alterações de torque após a partida exigem monitoramento de segurança específico.

9. Escolhas práticas

• Cidade e trânsito: priorize a frequência de regeneração, a operação em baixa velocidade no modo elétrico e partidas suaves do motor a combustão.

• Rodovias: compare a eficiência térmica do motor, as perdas mecânicas e a massa da bateria ao longo do ciclo de condução.

• PHEV: verifique a potência de carregamento, a autonomia elétrica, o modo de manutenção do estado de carga (SOC) e o gerenciamento da bateria para longo prazo.

• Veículos comerciais: avalie o resfriamento em subidas contínuas, a facilidade de manutenção e a vida útil dos freios regenerativos/de fricção.

10. Resumo em três linhas

Os sistemas híbridos combinam um motor a combustão e um motor elétrico por meio de conexões em série, em paralelo ou com divisão de potência. O sistema de engrenagens planetárias THS desacopla a rotação do motor da velocidade do veículo, alocando a geração MG1 e o acionamento MG2.

O estado de carga (SOC), a regeneração, a temperatura, as partidas e o isolamento devem ser controlados em conjunto para que a eficiência teórica se traduza em economia de combustível real.

Referências

• Anúncio do Sistema Híbrido Toyota
• Análise técnica do Toyota THS-II
• Toyota 2.0 litros THS II
• [Análise técnica do NHTSA THS-II] documento](https://static.nhtsa.gov/odi/inv/2011/INRD-PE11005-45763P.pdf)