Σε αυτό το άρθρο παρουσιάζουµε τις διαφορετικές αρχιτεκτονικές τύπους των συστηµάτων για Ελαφρά Υβριδικά Ηλεκτρικά Οχήµατα – Mild Hybrid Electric Vehicles (MHEV), εξετάζοντας την θέση των εξαρτηµάτων στο όχηµα, τις πιθανές λειτουργίες ελέγχου και τα πλεονεκτήµατα – µειονεκτήµατά τους, όσον αφορά την απόδοση καυσίµου και την οδηγική τους συµπεριφορά.

Κατανοώντας τα µικρά, ήπια, πλήρη και plug-in υβριδικά ηλεκτρικά οχήµατα
Με την αρχιτεκτονική, την τοπολογία ή τη διαµόρφωση κατανοούµε την τοποθέτηση των κύριων εξαρτηµάτων του υβριδικού ηλεκτρικού συστήµατος στο όχηµα. Με δεδοµένο ότι η µόνη µηχανική σύνδεση µεταξύ του ηλεκτρικού συστήµατος και του υπόλοιπου οχήµατος γίνεται µέσω της ηλεκτρικής µηχανής* η αρχιτεκτονική MHEV βασικά καθορίζεται από τη θέση της και τον τύπο σύνδεσής της µε το σύστηµα µετάδοσης ισχύος/κίνησης (ιµάντας ή ενσωµατωµένη συστοιχία γραναζιών).

Ήπιο υβριδικό ηλεκτρικό όχηµα (MHEV) – εισαγωγή
Το ηλεκτρικό σύστηµα 48V έχει γίνει το βιοµηχανικό πρότυπο για ήπιες υβριδικές εφαρµογές MHEV στα οχήµατα, για τους παρακάτω λόγους:
– Είναι σχετικά απλό στην ενσωµάτωσή του.
– Είναι αρθρωτό, ασφαλές και συµπαγές.
– Η µάζα των εξαρτηµάτων του είναι σχετικά µικρή, µε συνέπεια οι επιπτώσεις στο συνολικό βάρος του οχήµατος να είναι περιορισµένες.
– Το κόστος του συστήµατος στην απόδοση (καυσίµου, ενίσχυση ροπής) είναι πολύ ανταγωνιστικό.

Με την εξαίρεση της ενσωµατωµένης γεννήτριας εκκίνησης στον στροφαλοφόρο άξονα (Honda IMA και Mercedes Benz BlueHybrid), όλες οι ήπιες υβριδικές αρχιτεκτονικές οχηµάτων που παρουσιάζονται σε αυτό το άρθρο βασίζονται σε συστήµατα 48V.

Η διαµόρφωση του συστήµατος µετάδοσης κίνησης του συστήµατος MHEV έχει σηµαντικό αντίκτυπο στην απόδοση και στα χαρακτηριστικά του οχήµατος όσον αφορά τα:
– Κόστος ενσωµάτωσης.
– Απόδοση καυσίµου.
– Δυναµική απόδοση (ενίσχυση ροπής κινητήρα).
Οι αρχικοί κατασκευαστές συστηµάτων (OEM) αυτοκινήτων και οι αυτοκινητοβιοµηχανίες της κατηγορίας Tier, αναλύουν και αξιολογούν επί του παρόντος αρκετές σηµαντικές αρχιτεκτονικές κινητήριας δύναµης για τα MHEV. Η ηλεκτρική µηχανή µπορεί να τοποθετηθεί, σε σχέση µε τα άλλα εξαρτήµατα του κινητήρα, σε πέντε βασικά σηµεία:

Η σύντοµη περιγραφή των σηµείων σύνδεσης ηλεκτρικής µηχανής φαίνεται στον πίνακα 1.

Από τα παραπάνω διαπιστώνουµε, ότι οι αρχιτεκτονικές P0 και P1 δεν επιτρέπουν τη µηχανική αποσύνδεση του ηλεκτροκινητήρα από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης ICE. Από την άλλη πλευρά, οι διαµορφώσεις P2, P3 ή P4 συνδέουν – αποσυνδέουν ηλεκτροκινητήρα από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης ICE, µέσω συµπλέκτη.

Αρχιτεκτονικές συστημάτων κίνησης MHEV ή (FEAD)

Αρχιτεκτονική Γεννήτριας – κινητήρα με ιμάντα (P0)
Γνωστή και ως BiSG από την Ενσωµατωµένη Γεννήτρια – Κινητήρα µε ιµάντα, αυτή η ήπια υβριδική τοπολογία, είναι η πλέον αποδοτική λόγω της περιορισµένης επίδρασης του συστήµατος 48V στην υπάρχουσα αρχιτεκτονική του οχήµατος.
Σε µια υβριδική εφαρµογή ηλεκτρικών οχηµάτων, υπάρχουν δύο σηµαντικοί οδηγοί κόστους: Ο αντίκτυπος (επιβάρυνση) στα υπάρχοντα εξαρτήµατα του κινητήρα και ο συσσωρευτής υψηλής τάσης. Για να ελαχιστοποιηθεί το κόστος ενσωµάτωσης, η αρχιτεκτονική του οχήµατος και του κιβωτίου ταχυτήτων θα πρέπει να διατηρείται η ίδια, όπως και σε ένα συµβατικό όχηµα. Έτσι, ο ευκολότερος τρόπος για να επιτευχθεί το ελάχιστο κόστος είναι η ενσωµάτωση του ηλεκτροκινητήρα 48V στην ήδη υπάρχουσα µονάδα ιµάντα εξαρτηµάτων κινητήρα, αντικαθιστώντας τον εναλλάκτη 12V (γεννήτρια).

Αρχιτεκτονική MHEV P0 – Γεννήτρια-εκκινητήρας ιμάντα (BSG)

Στην αρχιτεκτονική BiSG, ο κινητήρας εσωτερικής καύσης (ICE) και ο ηλεκτροκινητήρας δεν θα µπορούσαν να διαχωριστούν, διότι συνδέονται µηχανικά µέσω του ιµάντα παρελκοµένων.
Εποµένως, ένα από τα µειονεκτήµατα αυτής της διάταξης είναι, ότι η ροπή τριβής του κινητήρα θα είναι µια απώλεια για τον ηλεκτροκινητήρα όταν παράγει ροπή ώθησης και όταν ανακτά ηλεκτρική ενέργεια.
Τα κύρια χαρακτηριστικά της αρχιτεκτονικής BiSG MHEV συνοψίζονται στον πίνακα 2.

Η αρχιτεκτονική BiSG MHEV έχει σηµαντικό αντίκτυπο στο σχεδιασµό του Front End Accessory Drive (FEAD). Η ανθεκτικότητα του ιµάντα πρέπει να αυξηθεί για να διατηρηθεί µεγαλύτερη ροπή στρέψης και περισσότεροι κύκλοι εντός/εκτός κίνησης. Οι ρυθµιζόµενοι εντατήρες ιµάντα πρέπει να παρέχουν:
– Αύξηση της τάσης κατά τη διάρκεια της εκκίνησης και της υποβοήθησης ώθησης (ροπή από ηλεκτρική µηχανή στον κινητήρα)
– Αύξηση της τάσης κατά τη διάρκεια της ανάκτησης ενέργειας (ροπή από τον κινητήρα στην ηλεκτρική µηχανή)
– Μείωση της τάσης κατά τη διάρκεια της κανονικής κίνησης (προκειµένου να µειωθούν οι απώλειες τριβής)
Υπάρχει επίσης σηµαντική επίδραση στον θόρυβο, τις δονήσεις και την τραχύτητα λειτουργίας (NVH) του κινητήρα και στην αντοχή του κύριου εδράνου του στροφαλοφόρου του κινητήρα. Επί του παρόντος, όλες οι εφαρµογές 48V BiSG MHEV εξακολουθούν να χρησιµοποιούν τον εκκινητή 12V. Ο λόγος είναι ότι η ψυχρή εκκίνηση του κινητήρα, ειδικά µετά από µια µακρά περίοδο αδράνειας, απαιτεί υψηλή ροπή ηλεκτρικής µηχανής (λόγω της υψηλής τριβής του κινητήρα). Αυτός είναι ένας περιορισµός για το BiSG, επειδή η ποσότητα ροπής που µπορεί να µεταδοθεί περιορίζεται από την ολίσθηση του ιµάντα. Με βελτιωµένο σχεδιασµό στους ιµάντες FEAD και αυξηµένη ανθεκτικότητα, ο εκκινητής 12V µπορεί να αφαιρεθεί και όλες οι λειτουργίες του να εκτελούνται από τον ηλεκτροκινητήρα 48V.

Ένα παράδειγµα του MHEV είναι το νέο Audi A8, το οποίο διαθέτει ένα ηλεκτρικό σύστηµα 48V.

Audi A8 48V MHEV
1.Μετατροπέας DC/DC.
2.Συσσωρευτής χαµηλής τάσης (12V).
3.Συσσωρευτής υψηλής τάσης (48V).
4.Μίζα-γεννήτρια κίνησης µε ιµάντα 48V.
5.0 Κινητήρας εσωτερικής καύσης TFSI.
Υπάρχει επίσης ένας σηµαντικός αριθµός προµηθευτών της κατηγορίας 1, οι οποίοι µπορούν να παρέχουν ήπια υβριδικά συστήµατα 48V P0 έτοιµα να ενσωµατωθούν σε εφαρµογές αυτοκινήτων.

Το σύστηµα 48V της Valeo MHEV
Εξαρτήµατα συστήµατος Valeo Hybrid4All 48V MHEV.
Μονάδα ελέγχου κινητήρα (PCU).
1. Αισθητήρας συσσωρευτή 14V.
2. Γεννήτρια – εκκινητήρας ιµάντα (BSG) 8 – 12 kW / 55 Nm µέγιστο, µε ενσωµατωµένο µετατροπέα.
3. Μετατροπέας DC/DC, 60 V/12 V, 2 kW.
4. Συσσωρευτής 48V, 200 – 600 kJ.

Το σύστηµα 48V της Bosch MHEV
Bosch 48V MHEV – εξαρτήµατα του συστήµατος ανάκτησης υποβοήθησης ώθησης.
1. Συσσωρευτής χαµηλής τάσης (12V).
2. Μετατροπέας DC/DC.
3. Ηλεκτρική µηχανή (κινητήρας & γεννήτρια).
4. Συσσωρευτής υψηλής τάσης (48 V).

Το σύστηµα MHEV 48V της Continental Continental’s 48V system MHEV

Εξαρτήµατα συστήµατος
1. Ηλεκτρική µηχανή µε ενσωµατωµένο µετατροπέα.
2. Μετατροπέας DC/DC (48 V / 12 V.)
3. Συσσωρευτής Li-Ion.

Το σύστημα MHEV 2ης Γενιάς 48V της Delphi

Υποβοήθηση εκκίνησης  48-VOLT
A. Ηλεκτροκινητήρας / Γεννήτρια: Ο κινητήρας ξεκινάει κατά τη λειτουργία Στάσης & Εκκίνησης (Stop & Start) και παρέχει κάποια (µερική;) ισχύ στους τροχούς και στη συνέχεια, φορτίζει τον συσσωρευτή κατά τη διάρκεια της πέδησης
B. Ηλεκτρονικός φορτιστής (ηλεκτρικός συµπιεστής αέρα): Παρέχει ώθηση κατά την κίνηση µετά από στάση και συµπληρώνει τον υπερσυµπιεστή καυσαερίων, εξαλείφοντας την υστέρηση υπερτροφοδότησης (turbo lag)

ΣΥΣΤΗΜΑ 48-VOLT
1. Αντιστροφέας 48 volt: Αλλάζει το συνεχές ρεύµα συσσωρευτή DC σε ρεύµα AC (εναλλασσόµενο) για την τροφοδοσία του ηλεκτροκινητήρα
2. Συσσωρευτής ιόντων λιθίου 48 volt: Αποθηκεύει ενέργεια που αναγεννάται κατά τη διάρκεια της πέδησης για να χρησιµοποιηθεί στη συνέχεια για την τροφοδότηση του οχήµατος
3. Ελεγκτής συσσωρευτή: Ρυθµίζει την κατάσταση φόρτισης του συσσωρευτή
4. Κιβώτιο διανοµής ισχύος: Περιέχει ενσωµατωµένες ασφάλειες

ΣΥΣΤΗΜΑ 12-VOLT
5. Μετατροπέας DC/DC: Αλλάζει τα 48 βολτ σε 12 βολτ
6. Συσσωρευτής 12 βολτ- o παλιός µας φίλος, αλλά µικρότερος
7. Ηλεκτρικό κέντρο διανοµής 12 βολτ: Ενεργοποιεί τον κεντρικό πίνακα (ταµπλό), τα καθίσµατα και τα παράθυρα καθώς και άλλες συσκευές 12 βολτ

Η ήπια υβριδική αρχιτεκτονική 48V P0 είναι η βασική τεχνολογία που υιοθετούν οι κατασκευαστές αυτοκινήτων για τα MHEVs, επειδή συνδυάζει ένα σχετικά χαµηλό κόστος ενσωµάτωσης και σηµαντικά οφέλη όσον αφορά τη µείωση των εκποµπών CO2 και τη δυναµική αύξηση της απόδοσης.

Πηγή: Automotive Engineering