Transmisii hibride inovatoare cu ADN electric

Electrificarea din ce în ce mai accentuată a grupului motopropulsor reprezintă atât o oportunitate, cât și o provocare de a regândi transmisia ca o combinație între un sistem de acționare electrică și componente mecanice și de a o adapta la cerințele actuale ale pieței.

Dar cum arată transmisia hibridă perfectă? Schaeffler a dezvoltat o transmisie hibridă inovatoare care permite funcționarea în serie/paralelă și, astfel, oferă o senzație de condus care, până acum, era disponibilă doar la vehiculele electrice. Două motoare electrice, un ambreiaj lamelar și un raport fix fără schimbare de viteză cu trei seturi de viteze asigură o complexitate generală mai mică decât majoritatea modelelor anterioare de transmisii hibride. Designul de bază este utilizat în aplicațiile cu translație frontală și în vehicule hibride complete, precum și în vehicule hibride plug-in. Modulele hibride pentru utilizarea în pozițiile P1 și P2 sunt dezvoltate în paralel pentru a crește și mai mult gradul de electrificare în arhitecturile de transmisie convenționale.

Hibrid, ce urmează ?

Legislația axată pe emisiile de gaze de eșapament a avut un impact semnificativ asupra modului în care s-a dezvoltat piața pentru propulsoarele parțial sau complet electrificate. Noa politică ”Green Deal” a Uniunii Europene prevede că, începând cu 2035, vor putea fi înmatriculate numai vehicule complet lipsite de emisii. În multe alte regiuni ale lumii, obiectivele pot varia. De exemplu, California insistă, de asemenea, ca vehiculele să fie 100 % fără emisii până în 2035, dar permite ca 20 % dintre acestea să fie autoturisme de tip ”plug-in hybrid”, în timp ce, pe de altă parte, în multe piețe asiatice sunt stabilite doar praguri de CO2 pentru 2030. Există o inconsecvență suplimentară în ceea ce privește comportamentul utilizatorului final, deoarece atât costurile, cât și confortul la volan și, mai ales, ușurința de încărcare/ realimentare au grade diferite de influență.
Comportamentele consumatorilor variază enorm și pot fi influențate de stimulente pentru cumpărare sau de interdicții de utilizare, cum ar fi conducerea vehiculelor cu motoare cu ardere internă (ICE – (Internal Combustion Engines) în orașe.
În acest context, Schaeffler estimează că, până în 2030, propulsoarele hibride vor reprezenta aproximativ 40 % din piața mondială, iar aceasta va include propulsoare hibride ușoare, complete și plug-in. Se preconizează că piața pentru aceste unități va crește constant până în 2030, după care va începe să se reducă treptat, datorită progreselor în tehnologia bateriilor, precum și dezvoltării infrastructurii de încărcare.
Pentru piețele în creștere, cum ar fi India și Indonezia, hibridizarea rămâne o opțiune extrem de atractivă pentru reducerea emisiilor de CO2 din trafic. Schaeffler estimează că aproximativ 30 % din toate vehiculele nou înmatriculate vor avea o propulsie hibridă până în 2035, (vezi Figura 1).

Rolul pe care îl va juca unitatea hibridă plug-in va depinde de legislația regională relevantă. O mașină hibridă plug-in oferă un bun raport cost/beneficiu, în special atunci când o parte semnificativă a unei călătorii poate fi parcursă cu energie electrică. Pentru a îndeplini această cerință, se așteaptă ca, în viitor, vehiculele hibride plug-in să trebuiască să ofere o autonomie de cel puțin 100 km. De asemenea, vehiculele hibride reîncărcabile permit șoferilor să parcurgă distanțe mult mai mari fără a fi nevoiți să se bazeze pe o infrastructură de încărcare, datorită opțiunii de a utiliza motorul cu ardere internă. În unele regiuni ale lumii, acesta ar putea fi motorul preferat, deoarece costurile continuă să scadă.
Schaeffler oferă o gamă de sisteme de acționare pentru a se adapta la numeroasele cerințe diferite ale vehiculelor hibride, Figura 2.

Transmisia electrică pe puntea spate în poziția P4 permite hibridizarea pe toate roțile atunci când este combinată cu o topologie a părții frontale P0/P1. Acest lucru produce în mod specific îmbunătățiri ale performanței și tracțiunii, pe lângă creșterea eficienței. Producția în serie a început la Schaeffler în 2019: Setul existent de tehnologii constituie baza a numeroase soluții diferite care sunt dezvoltate în continuare, în primul rând în ceea ce privește o densitate mai mare a performanțelor cu solicitări simultan mai mici de resurse. De asemenea, vor exista și alte caracteristici de conducere pentru clienți, cum ar fi opțiunea de a influența dinamica transversală prin intermediul funcțiilor de vectorizare a cuplului. Decuplarea punții electrice, care permite o tracțiune integrală de înaltă eficiență, face, de asemenea, parte din gama de soluții.
Din 2018, Schaeffler produce module hibride de înaltă tensiune pentru instalarea între motor și transmisie (P1 sau P2, figura 3). Un modul de a treia generație cu convertor integrat este produs în volum din 2019 .

Acest modul poate fi utilizat cu propulsoare în linie în combinație cu transmisii automate. Acesta transmite un cuplu de până la 700 Nm de la motorul cu ardere internă și furnizează, de asemenea, 300 Nm de la motorul electric. Acest lucru duce la o tracțiune foarte mare, motiv pentru care acest modul este utilizat în principal în SUV-uri și pick-up-uri. Pe lângă acesta, o a patra generație a transmisiei P2 de 48 V cu electronică de putere integrată este, de asemenea, în curs de dezvoltare și va intra în producția de serie în 2025. Designul extrem de compact, care include motorul electric și un convertizor de cuplu, îi permite să fie instalat într-un tren de propulsie transversal față. Conectarea directă la sistemul electronic de putere asigură faptul că producătorul vehiculului poate integra sistemul cu un efort minim.
O altă soluție, care a intrat în producție de serie de la începutul anului 2022, este un modul hibrid P1 pentru o transmisie hibridă P1+P3 dedicată. Modulul hibrid acționează ca o unitate care poate fi testată separat pentru componenta P1 generatoare a transmisiei hibride dedicate. Un ambreiaj de separare este integrat în rotor pentru a decupla ICE și generatorul P1 în timpul conducerii pur electrice. Deoarece este vorba de o transmisie hibridă cu trei viteze în aplicația de volum actuală, un al doilea ambreiaj acționează ca un ambreiaj clasic. Acest modul are o lungime de 92 mm și o putere electrică de 60 kW și se caracterizează printr-un design axial extrem de compact și un motor electric de înaltă eficiență.
Modulele hibride oferă avantajul unei utilizări flexibile în cadrul unei platforme de agregate existente, precum și cupluri foarte mari pe osie care pot fi produse prin combinarea motorului electric și a motorului electric cu rapoartele de transmisie. Practic, modulele hibride pot fi combinate cu toate tipurile de transmisie. În prezent, modulele hibride avansate și scalate sunt utilizate din ce în ce mai frecvent în electrificarea vehiculelor comerciale.
Schaeffler dezvoltă în prezent o transmisie ideală, dedicată vehiculelor hibride, cunoscută sub numele de transmisie hibridă MultiMode (MMH), pentru producția de serie în 2025. Aceasta are două motoare electrice, unul în aranjament P1 și celălalt în aranjament P3. Arhitectura aleasă permite funcționarea electrică, în serie și în paralel cu acționarea mecanică directă de către motorul cu ardere internă (de unde și denumirea de transmisie hibridă MultiMode); această soluție reprezintă un nou pas spre electrificarea completă și include potențiale de eficiență extrem de ridicate, cu un confort maxim și costuri foarte reduse.

Construcția transmisiei hibride dedicate

Arhitectura de bază a transmisiei hibride dedicate dezvoltate de Schaeffler este prezentată în figura 4. Construcția cu două motoare electrice, un ambreiaj și un raport de transmitere fix, fără schimbare de viteză, a fost aleasă pentru a permite atât funcționarea pur electrică, cât și în regim serial sau paralel.

În modul pur electric sau în modul serial, acționarea se face în întregime prin intermediul motorului de tracțiune în poziția P3. În modul serial, motorul ICE cu generatorul în poziția P1 furnizează energia necesară și poate produce o funcționare în puncte dulci prin intermediul unei sarcini suplimentare pe generator, dacă este necesar. Ambreiajul este închis în modul paralel pentru a facilita acționarea mecanică directă prin intermediul motorului cu combustie internă. Motoarele electrice pot fi, de asemenea, utilizate ca acționare suplimentară (boost) sau în modul generator (schimbarea punctului de sarcină).

Transmisia este concepută ca o unitate completă care include toate componentele electrice, electronice și mecanice, inclusiv componentele necesare pentru disiparea căldurii, vezi figura 5.

Atât motoarele electrice cu tehnologie în ac de păr, cât și ambreiajul central de separare sunt încorporate într-o componentă a carcasei, într-un aranjament care economisește spațiu. Componenta de carcasă a transmisiei se află în spatele unui perete intermediar care ascunde toate treptele de transmisie – pe de o parte, o treaptă de angrenaj inelar ca raport între ICE și generator, iar pe de altă parte, reducerea la axă, care se realizează prin intermediul unui arbore intermediar în direcția transmisiei finale. Această soluție extrem de integrată include întreaga unitate hidraulică, care este controlată de cerere și care este responsabilă de răcire și lubrifiere, precum și de acționarea ambreiajului și a blocării de parcare. Deoarece se utilizează o pompă hidraulică de inversare care poate schimba direcția de transport în mai puțin de 30 ms, nu este necesară o a doua pompă cu ajutorul unei logici de supapă corespunzătoare.
Electronica de putere este conectată la carcasă și este conectată direct la motoarele electrice prin intermediul unor bare colectoare dispuse intern, astfel încât nu este necesară nicio cablare. În carcasă se află, de asemenea, un schimbător de căldură apă/ulei. Gradul ridicat de integrare în transmisia hibridă Schaeffler permite utilizarea unui concept de răcire în trepte, figura 6, în care circuitul de temperatură scăzută al vehiculului acționează ca interfață externă. Lichidul de răcire trece prin sistemul electronic de putere și apoi prin schimbătorul de căldură, de unde extrage căldura din uleiul transmisiei hibride. Uleiul este apoi transportat de unitatea hidraulică printr-un filtru de ulei în direcția motoarelor electrice, a angrenajelor și a rulmenților într-un circuit închis. Transmisia hibridă este proiectată pentru a atinge puterea maximă cu un debit volumic de lichid de răcire de 8 l/min la o temperatură maximă de 65 °C.

Complexitatea mecanică a transmisiei este extrem de redusă, cu doar trei angrenaje și unsprezece rulmenți. Designul de bază este destinat utilizării în aplicații față-transversale ca un design hibrid complet și hibrid plug-in. Se bazează pe o putere electrică inițială de 125 kW și produce un cuplu maxim pe osie de 2 600 Nm. Generatorul are o putere maximă de 110 kW și poate suporta cupluri de la ICE de până la 250 Nm pe arborele cotit. Vitezele maxime obținute corespund unei viteze a vehiculului de 180 km/h. Există planuri ulterioare de a oferi transmisia în alte două clase de cuplu/puteri. Factorul decisiv este cuplul maxim al ICE, deoarece acesta influențează definitiv limitele de funcționare ale întregii transmisii, figura 7. Pot fi utilizate motoare ICE de 80 până la 170 kW cu cupluri de la 180 la 360 Nm.

Viteza maximă de rotație actuală a motorului cu ardere internă este de 4.700 rpm, ceea ce corespunde unui motor pe benzină modern turboalimentat. Puterea ambelor motoare electrice este adaptată în primul rând în funcție de cerințe prin variația lungimii active.

Funcționarea transmisiei hibride

Diferitele moduri de funcționare sunt prezentate mai jos, pe baza unei călătorii teoretice cu o variantă complet hibridă a transmisiei. Înainte de a porni la drum, sistemul hidraulic deblochează dispozitivul de blocare a parcării cu o presiune de aproximativ 6 bari. Pentru a realiza acest lucru, se poate realiza atât o stare “normal închisă”, cât și o blocare bistabilă. Accelerația de la staționare este pur electrică prin intermediul motorului de tracțiune P3 cu un ambreiaj deschis și nivelul corespunzător de încărcare a bateriei, figura 8. Viteza de rotație a motorului electric este transmisă la puntea motoarelor prin intermediul unui arbore intermediar și al transmisiei finale la aproximativ i = 8,3 și oferă astfel aceeași experiență de conducere ca un vehicul electric acționat de o baterie.

Motorul cu ardere internă este pornit prin intermediul generatorului motorului electric pentru accelerarea ulterioară până la o viteză obișnuită în afara orașului și în cazul în care este nevoie de mai multă energie. În modul serial ulterior, generatorul produce un curent care este transformat direct în energie mecanică în cel de-al doilea motor electric, adică fără ocol prin intermediul acumulatorului, Figura 9. Transmiterea directă a curentului prin intermediul unui circuit secundar în loc de încărcarea și descărcarea bateriei asigură, pe de o parte, o eficiență mai mare și, pe de altă parte, costuri mai mici, deoarece pot fi utilizate celule de baterie de capacitate mai mică, cu cerințe de durată de viață mai mici.

De îndată ce se atinge viteza de croazieră, nivelul optim de eficiență globală poate fi atins prin trecerea la modul paralel. Închiderea ambreiajului lamelar permite ca cuplul motorului electric să fie utilizat pentru a acționa direct roțile, figura 10, iar motoarele electrice pot produce curent pentru sistemul electric al vehiculului sau un cuplu suplimentar pentru tracțiune. Închiderea ambreiajului și, prin urmare, trecerea la modul paralel se realizează hidraulic în mai puțin de 200 ms după sincronizarea vitezelor motoarelor electrice.

Recuperarea are loc în timpul frânării prin intermediul motorului electric în poziția P3, cu ambreiajul deschis. Proiectarea convertorului integrat DC/DC pentru variantele full hybrid cu o putere nominală de 44 kW (pentru 20 de secunde) oferă o performanță de frânare corespunzătoare care permite recuperarea completă a tuturor întârzierilor din ciclu a ajuns la oprire.

Strategii de operare și conductibilitate

Randamentul general al unei unități hibride și, prin urmare, nivelul de reducere a emisiilor de CO2 nu depinde doar de componentele individuale, ci în mod esențial de modul în care acestea funcționează împreună și, prin urmare, de strategia de operare. Următoarele strategii de funcționare, atât pentru o variantă hibridă completă, cât și pentru o variantă hibridă plug-in, sunt prezentate folosind exemplul unui MMH care permite optimizarea consumului de combustibil în modul de menținere a încărcăturii WLTC. Diferența la nivelul vehiculului constă în primul rând în dimensiunea bateriei, care are un impact semnificativ asupra strategiei de conducere.

În cazul unui vehicul hibrid complet, nu este disponibilă decât o baterie mică, astfel încât se utilizează o strategie “în funcție de putere”, vezi figura 11. În modul serial, viteza este întotdeauna selectată de la motorul cu ardere internă, indiferent de viteza roților, ceea ce oferă punctul optim de consum specific în funcție de necesarul de putere. În modul paralel, viteza de antrenare determină puterea țintă la o viteză de rotație corespunzătoare. În general, acest lucru are ca rezultat un domeniu de lucru comparabil mai mare pentru motorul cu ardere internă.

…. Continuare în numărul următor
Thomas Eckenfels | Nils Fischer | Steffen Lehmann
Ulrich Neuberth | Dierk Reitz
Sursa : SCHAEFFLER