Facultatea de Transporturi – Universitatea Politehnica Bucuresti
Fizica si automobilul viitorului
Mares Andrei
Grupa 8102
Cuprins
Masina viitorului..........................................................................3
Principiul de functionare.............................................................5
Baterii intregrate ins asiu............................................................6
Modul de incarcare ....................................................................8
Aplicatii tehnologice inovative si imbunatatiri din perspectiva
aerodinamicii..............................................................................8
Elemente de stabilitate...............................................................9
Viitorul BMW ActiveE...............................................................10
Concluzii...................................................................................14
2
Tehnologiile utilizate pentru construirea masinilor viitorului includ noi surse de energie
si materii prime, ce sunt dezvoltate pentru a face automobilele mai fiabile,mai sigure si mai
eficiente ori mai putin poluante.
Masina viitorului
Majoritatea marilor producatori auto au dezvolatat concepte de masini ale
viitorului.Un prototip de masina a viitorului il constituie conceptul BMW ActiveE.BMW
ActiveE imbina caracterul sportiv cu atentia deosebita la detalii.Aceasta constituie o evolutie
a modelelor coupe traditionale ale marcii BMW si este prevazut cu tehnologii inovatoare.
De-a lungul deceniilor BMW a facut din reducerea emisiilor si a consumului de
carburant un punct-cheie in strategia de dezvoltare,ajungand chiar la eliminarea acestora
prin acest nou model inovator – BMW ActiveE.
Conceptul BMW ActiveE demonstreaza faptul ca obiectivele EfficientDynamics reprezinta in
realitate cerinte obligatorii pentru automobilele viitorului.
BMW ActiveE are patru locuri,si portbagaj cu capacitatea de 200L si poate atinge o
viteza maxima de 220 de km/h.
Viteza,cuplul,acceleratia
3
v = 2πrω/Ggk, unde
v = Viteza (ms-1)
r = Diametrul exterior al cauciucului (m)
ω = Turatia motorului (s-1)
G = Raportul diferentialului (fara unitate de masura)
gk = Treapta k de viteza (fara unitate de masura)
Viteza maxima avand un raport ideal al treptelor de viteza:
Γ(ω)Ggk 1
------------ = -- cdAρv2
r 2
cd = Coeficientul de rezistenta la inaintare (fara unitate de masura)
A = Aria suprafetei frontale a automobilului (m2)
ρ = Densitatea aerului (kgm-3)
v = Viteza automobilului (ms-1)
Γ(ω) = Cuplul generat de motor la turatia ω a motorului (Nm)
Inmultim ambii membri cu v, unde v = 2πrω/Ggk :
Γ(ω)Ggk 2πrω 1
------------- × ------- = -- cdAρv2
r Ggk 2
2πΓ(ω)ω = 0.5cdAρv3
Puterea P = 2πΓ(ω)ω, avem deci
P = 0.5cdAρv3
( 2P ) ^(1/3)
4
v = ( ------- )
( cdAρ )
Un motor electric de performanta inalta ofera multa putere si dinamica la conceptul
BMW ActiveE.Cu 120 kW(170CP) si cuplu de 250 Nm,Coupe-il accelereaza de la 0 la 60
km/h in 4,5 sec. Si la 100 km/h dupa inca 4 secunde.Bateria litiu-ion , motorul si electronicele
dezvoltate expert inlocuiesc motorul cu combustie ,transmisia si rezervorul.Astfel se ofera un
echilibru dinamic si suficient spatiu.Doar dupa aprozimativ 160 km va fi nevoie sa incarcati
bateria si in doar 3 ore Conceptul BMW ActiveE este gata pentru urmatoarea aventura.
P = 2πΓ(ω)ω,
P = Puterea generata de motor (Js-1)
Γ(ω) = Cuplul generat de motor la turatia ω a motorului (Nm)
ω = Turatia motorului(s-1)
Principiul de functionare
Creeaza placerea de a conduce , nu emisii.Amprentele conceptului BMW ActiveE
sunt tractiunea spate caracteristica BMW si motorul electric puternic.125kW (170CP) si
250Nm asigura perfomanta dinamica.Mai mult, motorul electric serveste si ca generator si
incarca bateria folosind energia cinetica , de indata ce conducatorul auto ia piciorul de pe
acceleratie .La condusul urban,se poate folosi doar acest motor pentru franare , in 75% din
toate situatiile.Franarea clasica este aproape inutila.Rezultatul:distanta parcursa de
Conceptul BMW ActiveE creste cu pana la 20% si va permite sa va bucurati de o placere de
a conduce fara emisii de 160 km ,in medie.Folosirea sistemelor de incalzire sau de aer
conditionat reduce usor distanta ce poate fi parcursa , in timp ce utilizarea optima a
autovehiculului o creste.
Conceptul de condus electriceDrive uneste placerea de a conduce cu tehnologia
viitorului.Baza este BMW Seria 1 Coupe, al carui motor convetional este inlovuit de
eDrive.Acesta e alcatuit din 3 parti:un motor electric compact sincronic pe puntea spate si cu
125kW(170Cp), 250 Nm si o gama impresionanta de viteze.Bateria litiu-ion racita pe baza de
lichid, dezvoltata de BMW care ofera manevra neutra.Si unitatea de control al motorului care
ubcarca bateria pana la 125 kW in timpul franarii.Energia pentru Conceptul BMW ActiveE e
deja disponibila de exemplu in parcurile auto.
La frana de motor sau la franare, motorul electric actioneaza ca generator de energie
electrica pentru acumulatorul litiu-ion din masina. Energia dezvoltata in acest mod este
5
generata fara vreun consum suplimentar de combustibil, folosind la maximum principiul
sistemului de recuperare a energiei la franare (Brake Energy Regeneration), disponibil la
actuala gama de modele BMW.Energia consumata la franare in cazul unui automobil
conventional este astfel economisita.
Un al doilea motor electric actioneaza pentru puntea fata. Acest propulsor – un motor
hibrid sincron – ofera o putere permanenta de 60 kW si un varf al cuplului de 220 Newton-
metri. Un plus de putere de pana la 84 kW este disponibil pentru o perioada de pana la 30 de
secunde, in timp ce pentru 10 secunde motorul electric este capabil sa dezvolte 104 kW.
Puterea este transmisa prin intermediul unei cutii de viteze in doua faze, cu o singura treapta
cu raport redus.
In functie de conditiile de trafic sau de stilul de condus, cele doua motoare electrice
pot fi utilizate amandoua pentru accelerare sau pentru recuperarea energiei la franare sau la
folosirea franei de motor.
Acest principiu asigura un nivel ridicat de eficienta pentru gestiunea energiei, pentru
utilizarea la maxim a resurselor acumulatorului cu litiu-ion ramane. La accelerare, motoarele
electrice aduc un plus de performanta si asigura o reactie spontana si directa, precum si o
reducere semnificativa a consumului.
Baterii integrate in sasiu
Celulele de energie disponibile la BMW ActiveE sunt gazduite de un element al
sasiului, din fata pana in spate, pe mijlocul masinii. BMW ActiveE dispune de 98 de celule
6
litiu-ion, fiecare cu o capacitate de 30 A/h, si dezvolta o intensitate de 600 A la o tensiune de
3,7V.
Pentru un interval de 30 de secunde fiecare celula este capabila sa dezvolte o
intensitate maxima de 1.200 A.
Dispunerea in serie a celulelor litiu-ion contribuie la generarea unei tensiuni nominale
de 364 V, iar capacitatea bruta de stocare a acumulatorului este de 10,8 kW/h.
Prin faptul ca ofera o capacitate neobisnuit de mare de descarcare (80%), bateria furnizeaza
8,6 kW/h pentru condusul automobilului.
Masa totatala a sistemului de stocare este de numai 85 kg. Prin constructie, modul de
utilizare si calitatile acumulatorului litiu-ion, este redusa incalzirea bateriei, fara a mai fi
nevoie un sistem de racire.
Modul de incarcare
Sistemul se poate incarca de la o sursa de putere conventionala. Recuperarea
energiei franelor transfera constant puterea electrica generata, in timpul condusului fara
7
consum suplimentar de combustibil, catre acumulator, care ulterior poate fi utilizata la
furnizarea puterii atat spre motoarele electrice, cat si spre reteaua de bord. Statiile publice de
incarcare si sistemele personale incarca bateria complet in doar 3 ore.E disponibila si o
aplicatie inteligenta pentru Smartphone ce ofera informatii despre nivelul bateriei,distanta si
urmatoarea statie de incarcare si serveste ca telecomanda pentru sistemele de incalzire si
aer conditionat ale autovehiculului.
O alta optiune este aceea de a conecta celulele litiu-ion la o sursa conventionala de
curent pentru un proces simplu si eficient de incarcare, prin utilizarea conectorului plug-in din
aripa dreapta fata a masinii. Conectat la o sursa clasica de curent, spre exemplu o priza din
casa (220 V, 16 A), sistemul are nevoie de maximum doua ore si jumatate pentru incarcarea
celulelor litiu-polimer. Iar atunci cand este disponibila o sursa de curent cu tensiune si
amperaj mai mari (380 V, 32 A), timpul de incarcare este mult mai scurt, cel mult 44 minute.
Pe langa facilitatile de stocare a energiei electrice, ActiveE dispune si de un rezervor
conventional in partea din spate a tubului central al sasiului, cu o capacitate de 38 litri.
Aplicatii tehnologice inovative si imbunatatiri din perspectiva aerodinamicii
Cu o inaltime de numai 1,50 metri si o linie arcuita a acoperisului. Prin montarea
motorului in fata puntii spate, designerii au reusit sa construiasca o parte frontala mult
coborata si foarte subtire. Aerodinamica este influentata de fantele active ale radiatorului,
care se pot inchide complet atunci cand nu este nevoie de o putere mare de racire.
Aceasta functie eficienta are la baza controlul activ al flapsurilor grilei radiatorului,
parte a strategiei BMW ActiveE utilizata la multe din modelele ale actualei game de masini
Mercedes.
Partea de dedesubt a masinii este complet acoperita. Se mentine astfel o suprafata
lina care evita realizarea oricarui curent turbionar ce poate creste consumul de combustibil.
Fantele subtiri din spoilerul fata ghideaza curentul prin doua galerii inchise catre pasajele
rotilor, unde aerul iese printr-o fanta foarte subtire, chiar langa flancurile exterioare ale
pneurilor. Acest jet de aer ramane pe rotile fata precum o cortina, ca o perdea de aer cu un
pronuntat efect stabilizator.
8
Pentru a optimiza suplimentar calitatile aerodinamice ale intregului automobil, BMW
ActiveE este echipat cu pneuri si jante de dimensiuni neobisnuite pentru o masina eleganta
dar si cu un caracter sportiv accentuat. Pneurile masoara 205/65 in raport latime-inaltime, in
timp ce jantele de 21 de toli ofera o suprafata de contact cu soseaua care altfel este
disponibila doar la cauciucurile mai late.Aceasta masina este foarte stabila datorita si
sistemelor electrice integrate precum ESP ( ELECTRONIC STABILITY CONTROL).
Elemente de stabilitate
Cu o lungime de 4,80 metri, o latime de 1,90 metri si o inaltime de 1,50 metri, masina
ofera spatiu suficient pentru patru pasageri si bagajele acestora. Prin folosirea materialelor
ultrausoare, masa automobilului este limitata la 1.450 kg, iar centrul de greutate ramane mult
coborat, contrar confortului si dinamicii oferite.
9
Cand masina se afla in inertie:
LrWr = LfWf
Lr = distanta dintre centrul de greutate si puntea spate
Wr = greutatea puntii spate
Lf = distanta dintre centrul de greutate si puntea fata
Wf = greutatea puntii fata
Stim ca
Wf + Wr = mg
m = masa
g = atractia gravitationala
Greutatea pe fiecare roata este:
Wf = mgLr / (Lf + Lr)
Wr = mgLf / (Lf + Lr)
Viitorul BMW ActiveE
Un obiectiv al inginerilor BMW a fost, oriunde era posibil, sa reduca suplimentar
pierderea de energie – aflata inca la un nivel substantial – chiar si la cele mai eficiente
motoare cu combustie.
Acesta este motivul pentru care un generator termoeletric (TEG), racit cu apa, a fost
integrat in sistemul de evacuare al BMW ActiveE, contribuind la transfomarea unei parti
importante a energiei termice inmagazinata in emisiile evacuate, in energie electrica.
10
Aceasta tehnologie, folosita initial pentru alimentarea satelitilor, utilizeaza efectul Seebeck,
care genereaza o tensiune la diferenta de temperatura intre doi conductori metalici.
Efectul Seebeck constă în apariţia unei tensiuni termoelectrice (Seebeck) în
conductoare de natură diferită, ale căror jonctiuni se găsesc la temperaturi diferite.
Tensiunea Seebeck depinde de natura conductoarelor şi de gradientul de temperatură.
Fizica statistica cuantica si teoria cuantica a solidului au aratat ca pentru electronii
dintr-un solid (în particular metal) energia se poate reprezenta sub forma unor nivele
energetice discrete, într-o groapa de potential, nivelul de energie maxima fiind nivelul Fermi
(la 0 K).
Pentru ca electronii sa fie scosi din metal în vid, acestora trebuie sa li se comunice o
energie de extractie We , care difera de la electron la electron, cea mai mica fiind pentru
electronii cu energia în apropierea energiei Fermi.
Daca adâncimea gropii de potential a metalului este W , atunci
Energia de extractie depinde de natura metalului, slab de temperatura si foarte
puternic de starea suprafetei metalului.
Consideram doua metale diferite, MA si MB , care au valori diferite ale energiilor de
extractie (deci a nivelelor Fermi si a adâncimii gropii de potential).
11
Când cele doua metale sunt puse în contact, au loc procese tranzitorii, care constau
dintr-un schimb reciproc de purtatori, pâna la obtinerea starii de echilibru.
Se poate arata ca starea de echilibru e atinsa când nivelele Fermi se egaleaza.
Dacå W WeA eB , FB FA , numarul de electroni care trec din MB în MA va fi
mai mare decât numarul de electroni care trec din MA în MB ; MB va saraci în purtatori
(electroni), încarcându-se pozitiv (si nivelul sau Fermi va coborî) iar MA se va îmbogati în
electroni încarcându-se negativ (si nivelul sau Fermi va urca). La egalizarea nivelelor Fermi,
schimbul de electroni înceteaza, diferenta de potential care apare opunându-se trecerii în
continuare a electronilor.
Daca cele doua metale au concentratii diferite de electroni, se poate arata ca
diferenta de potential de contact între cele doua metale va fi
UW W
e
kT
e
n
neA eB B
A
ln
Aparitia diferentei de potential de contact a fost semnalata de cåtre Volta, dar tot el a
aratat ca, într-un circuit închis, care consta din diferiti conductori metalici aflati la aceeasi
temperaturå, diferenta de potential de contact nu poate fi o sursa de tensiune
electromotoare.
Daca însa sudurile (contactele) metalelor din circuit au temperaturi diferite, în circuit
apare o tensiune electromotoare - tensiunea termoelectromotoare sau tensiunea Seebeck.
Fie un circuit închis format din douå metale, ale caror suduri 1 si 2 sunt mentionate la
temperaturile T1 , respectiv T2
UW W
e
kT
e
n
neB eA A
B1
1
ln
UW W
e
kT
e
n
neA eB B
A2
2
ln
Tensiunea electromotoare în circuit (presupunând cå W W n neA eB A B, , , depind slab de
temperatura):
12
E U Uk
eT T
n
nA
B1 2 1 2 ln
Sau E T T1 2 Cu
k
e
n
nA
Bln
numit coeficient Seebeck.
Teorii mai complexe considera ca aparitia tensiunii termoelectromotoare e rezultatul a
3 efecte fundamentale: formarea unui flux ordonat de purtatori datoritå gradientului de
temperatura, variatiei nivelului Fermi în functie de temperatura si schimbului de energie între
electroni si vibratiile retelei cristaline. Rezultatul final este asemanator, cu deosebirea ca
depinde si de temperatura. La metale simple la temperatura camerei e de câtiva
microvolti/°C, astfel încât la o diferenta de temperatura între suduri de 100 °C se obtine o
tensiune termoelectromotoare de ordinul milivoltilor.
Efectul Seebeck are aplicatii la confectionarea termocuplelor - dispozitive folosite la
masurarea temperaturilor.
Dacå T0 este temperatura sudurii reci si este mentinuta constanta (de obicei prin
introducerea ei într-un amestec de apa cu gheata), tensiunea termoelectromotoare va fi
functie numai de temperatura suduri calde
E Tf
Daca se masoara experimental valorile tensiunii E la diferite temperaturi si se
reprezinta într-un sistem de axe perechile de valori Ei iT , se obtine o curba numita curba
de etalonare a termocuplului.
Un ansamblu de termocuple conectate in serie alcatuiesc o baterie termoelectrica ce
este construita pentru a creste voltajul la iesire din moment ce voltajul la intrare al fiecarui
termocuplu este mic.
Acesta este totodata principiul pe care se bazeaza termodiodele si generatoarele
termoelectrice utilizate pentru a crea putere din caldura diferentialului.
La prototipul BMW ActiveE, generatorul termoelectric, dezvolta o putere maxima de
pana la 200 W.
13
Galeriile si conductele sistemului de evacuare sunt concepute, in acest caz, pentru a
mentine toata puterea si caracteristicile specifice motorului cu combustie chiar si atunci cand
se foloseste acest sistem de generare.
Componentele individuale ale sistemului de la bordul BMW ActiveE sunt
interconectate, existand premisele pentru implementarea unui sistem avansat pentru
gestiunea energiei, prin utilizarea informatiilor culese de senzorii de la unitatile de asistenta a
conducatorului montate in automobil.
Datele furnizate, spre exemplu, de senzorul de ploaie,de senzorul de lumini sau de
Active Cruise Control (tempomatul activ) cu functia Stop & Go, precum si de sistemul de
navigatie, sunt analizate ulterior de unitatea centrala de control. Prin evaluarea acestor date,
computerul de bord este capabil sa prevada stilul de condus pe urmatoarea zona de drum,
aceste calcule contribuind la pregatirea automobilului pentru cerintele viitoare si eficientizand
utilizarea energiei disponibile prin operarea optima a tuturor sistemelor.
In cazul in care computerul central superperformant stabileste ca, de exemplu,
conducatorul va intra pe o autostrada, puterea utilizata pentru sistemul de racire este redusa
din timp pentru o anumita perioada, de la premiza ca o scurta crestere a temperaturii de
racire, ce rezulta dintr-o asemenea masura de economisire a energiei, va fi eliminata rapid la
o viteza mai mare a masinii pe autostrada. Un alt exemplu al acestei preconditionari este
recuperarea energiei de la aerul conditionat, de la EPS Electronic Power Steering
(servodirectie electronica) si de la Brake Assistant (asistarea franelor).
Concluzii Masinile viitorului vor fii mult mai eficiente si mult mai sigure datorita dezvolatarii
continue a noi sisteme de siguranta.Se poate spune ca vor fi niste „prieteni” ai mediului
natural inconjurator.
Tehnologiile utilizate de catre BMW in proiectarea acestui concept-car prezinta
evolutia cunostintelor stiintifice, fizica ocupand un loc primordial in evolutia constructiei de
automobile.
Evolutia tehnologiei precum si posibilele noi descoperiri in domeniul fizicii vor putea
face realizabile proiecte ca AHS. AHS sau Smart Road este proiectul unui sistem de
transport inteligent, proiectat pentru masinile fara sofer. Scopul sau ar fi acela de a diminua
congestia traficului prin reducerea distantelor intre diverse puncte-cheie.
In una din scheme proiectului, carosabilul are tepuse de otel inoxidabil magnetizate,
dispuse la un metru de centrul drumului. Automobilul „simte” tepusele pentru a-si masura
viteza si a se localiza fata de centrul drumului. Aceste tepuse pot fi avea fie polul negativ fie
14
cel pozitiv orientat in sus. Autostrada ar ingloba mici cantitati de date digitale ce descriu
interschimbarile, vitezele recomandate etc.
Automobilele ar urma sa aiba asigurat controlul directiei si al vitezelor de catre un
computer. Acestea se organizeaza in „plutoane” de masini (intre 8 si 25). Acestea se vor afla
la o distanta de 1 metru unele fata de celelalte pentru a minimaliza rezistenta opusa de
aer.Distanta dintre plutoane este distanta conventionala de franare. In cazul unei coliziuni
numarul maxim de masini avariate este un pluton.
Proiectul AHS a luat nastere in cadrul unei echipe de la The Ohio State Univeristy.
Primul lor autovehicul automat a fost construit in 1962 si se presupune ca a fost primul
vehicul de uscat caruia i s-a inglobat un calculator. Directia, franarea si viteza erau controlate
prin elemente electronice ce ocupau aproape intreg spatiul autoturismului.
Proiectul PATH este un prototip de autostrada automatizata ce a fost testat in San
Diego, California in 1991. In ciuda succesului tehnic inregistrat, investitiile s-au transferat mai
mult catre realizarea de automobile „inteligente” decat spre realizarea unei infrastructuri
corespunzatoare.
Sistemul AHS plaseaza senzori in masina ce pot citi semnalizari si doteaza masinile
cu radar si mijloace de comunicare inter-automobile, pentru a permite acestora sa se
organizeze fara interventia soferilor. Sisteme similare de autopilot adaptiv sunt dezvoltate de
Mercedes-Benz, Bmw, Toyota si Volkswagen. Sistemul utilizează ori un radar ori un laser
pentru a permite vehiculului să încetinească atunci când se apropie de alt vehicul şi să
accelereze apoi la viteza presetată atunci când condiţiile de trafic o permit.
Schema pentru autopilotul adaptiv. Vehiculul roşu urmează automat celui albastru.
Un alt element ce se va implementa automobilelor viitorului il
reprezinta sistemul precoliziune. Acesta este un sistem de siguranta ce
are scopul de a reduce pagubele unui accident. Cel mai popular tip de
sistem este acela ce foloseste un radar si uneori lase pentru a detecta o
15
coliziune frontala iminenta. In functie de sistem poate avertiza soferul,
pregati franele ori calibra centurile de siguranta si frana partial sau
total pentru a minimza severitatea colizunii. In 2009 NHTSA(National
Highway Traffic Safety Administration, agentie a Guvernului SUA
din Departamentul de Transporturi ) a initiat un studiu pentru a vedea
daca sistemul de avertizare in cazul colizunilor frontale trebuie sa
devina o cerinta obligatorie pe viitor.
Bibliografie
1. www.matefiz.org
2. www.bmw.ro
3. http://www.futurecars.com
4. http://www.physics.pub.ro/Referate/BN119/Efectul_SEEBECK.pdf
16
Top Related