Классификация гибридных систем
Гибридный автомобиль (HV) — это автомобиль, как минимум, с двумя различными преобразователями энергии и двумя различными системами накопления энергии (в автомобиле) для привода автомобиля.
С одной стороны, гибриды различаются по их конструкции (параллельный, последовательный, комбинированный или разветвленный гибрид) и, с другой стороны, по степени электрификации (микро, мягкий, полный гибрид).
Если автомобиль получает энергию не только от топлива, а и от электросети, то тогда его называют подключаемый гибрид (Plug-ln-Hybrid).
Классификация по конструкции
Параллельный гибрид
В параллельных гибридах ДВС и электродвигатель вместе воздействуют на трансмиссию. Оба двигателя могут быть меньшими по размеру, чем в том случае, если бы они устанавливались в автомобиль и работали по отдельности. Поскольку электродвигатель одновременно используется как генератор, то выработка энергии по время движения электродвигателем невозможна.
Последовательный гибрид
Рисунок. Последовательный гибрид
В последовательных гибридах на трансмиссию воздействует только электродвигатель. ДВС приводит в действие электрический генератор, который вращает электродвигатель и заряжает аккумуляторную батарею. Последовательный гибрид работает местами на чистом электричестве при заряженной аккумуляторной батарее и, таким образом, очень близок к электромобилю.
Поэтому он также называется электромобилем с увеличенным запасом хода (Range-Extender).
Комбинированный или разветвленный гибрид
Рисунок. Комбинированный или разветвленный гибрид
Комбинированный гибрид объединяет под капотом параллельный и последовательный гибрид. ДВС посредством генератора и аккумуляторной батареи подготавливает энергию для электродвигателя или непосредственно соединен с приводом. Переключение и соединение между двумя состояниями выполняется автоматически.
Подключаемый гибрид
В подключаемых гибридах аккумуляторная батарея заряжается не только от ДВС, а и от сети. Таким образом, подключаемый гибрид может проезжать длинные дистанции на чистом электричестве. Подключаемый гибрид представляет собой следующий этап развития электромобилей.
Классификация по степени электрификации
Микрогибрид
Несмотря на то, что так называемые микрогибриды с рекуперацией энергии торможения и автоматикой старт- стоп уже сегодня вносят значительный вклад в экономию топлива и снижение выброса вредных веществ в атмосферу, воздействия на привод они не оказывают. Поэтому в узком смысле слова они не являются гибридными автомобилями.
Пример микрогибридной системы
Система i-StARS от фирмы Valeo может остановить двигатель еще до полной остановки автомобиля, то есть как только скорость упадет ниже 8 км/ч (в случае автоматической коробки передач) и 20 км/ч (в случае механической коробки передач). Таким образом, оптимизируется расход топлива и упрощается вождение автомобиля. Регенеративная функция тормоза срабатывает, как только водитель снимает ногу с педали акселератора. Затем система отправляет электронный сигнал на стартер генератор, вследствие чего кинетическая энергия автомобиля преобразуется сразу же в электрическую энергию, заряд аккумуляторной батареи. Этим достигается значительное сокращение расхода топлива.
Мягкий гибрид
Мягкий гибрид не работает на чистом электричестве. Электродвигатель только поддерживает ДВС.
Энергия для электродвигателя поступает, например, от использования энергии торможения.
В обычных автомобилях энергия движения — или кинетическая энергия — преобразуется при торможении в тепло на тормозных дисках. Тепло просто безвозвратно выбрасывается в окружающую среду. В гибридных автомобилях кинетическая энергия улавливается генератором и накапливается в высоковольтной аккумуляторной батарее.
Пример для системы с мягким гибридным приводом: Honda IMA (встроенный ассист двигателя)
Стартер-генератор расположен между двигателем и коробкой вместо маховика.
Одним из преимуществ автомобилей с мягким гибридным приводом является тот факт, что ДВС, который реализует, по существу, свою мощность в зоне средних и высоких оборотов, комбинируется с преимуществами электродвигателя, который развивает свою силу на низких оборотах. Гибридная система, поэтому, может рассматриваться как усилитель мощности и эффективности.
В целом, можно сказать, что посредством «уменьшения» ДВС снижается расход бензина, а также выбросы в окружающую среду. Однако клиенты не готовы принять малую мощность. Автомобиль с гибридным приводом при помощи электродвигателя может компенсировать недостающую мощность, например, при разгоне или ускорении.
Рисунок. Характеристика мощности и крутящего момента Honda-IMA
Рисунок. Обзор системы Mercedes S400 HYBRID
Другой пример мягких гибридов
Mercedes S 400 HYBRID имеет параллельный гибридный привод. При такой концепции привода как ДВС, так и электродвигатель механически соединены с ведущими колесами (параллельная схема двигателей). Мощности обоих двигателей могут суммироваться, в результате чего отдельные мощности двигателей могут быть меньшими. Движение на одном только электродвигателем невозможно.
Полный гибрид
Полный гибрид приводится в действие местами только электродвигателем. Технической основой полного гибрида является разветвленный, комбинированный или последовательный гибрид.
Рисунок. Audi А1 e-tron в качестве последовательного полного гибрида
Пример автомобиля с полным гибридным приводом
Audi А1 e-tron приводится в действие электродвигателем с максимальной мощностью 75 кВт/102 л.с. и максимальным крутящим моментом 240 Нм. Передача усилия происходит при помощи одноступенчатой коробки передач. Запас хода А1 при работе только на электричестве: 50 км. Если литийионный аккумулятор, установленный перед задним мостом, разряжен, то самая маленькая модель фирмы Audi приводится в действие, как и Opel Ampera или Chevrolet Volt, при помощи небольшого ДВС.
Литий-ионный аккумулятор расположен в основании кузова перед задним мостом, чтобы оптимизировать распределения веса и центр тяжести автомобиля А1 e-tron массой 1,2 т. Литий-ионный аккумулятор весом 150 кг имеет емкость 12 кВт/ч.
Рисунок. Коробка передач с двумя электродвигателями для привода
Другой пример
BMW Х6 ActiveHybrid
Мощные электромоторы (67 кВт/91 л.с. и 63 кВт/86 л.с.) компактно размещаются в активной, двух режимной трансмиссии, в корпусе размером с обычную автоматическую коробку передач.
В зависимости от дорожной ситуации привод осуществляется или посредством электродвигателей, или посредством ДВС, или попеременно обоими приводами.
И в этом режиме обе электромашины работают по разному и наряду с электрической поддержкой привода и функцией генератора, в частности, отвечают за эффективное переключение передач.
Рисунок. Расположение компонентов в автомобиле
Привод дополнительных агрегатов в автомобилях с полным гибридным приводом
Основной проблемой является привод дополнительных агрегатов, которые при остановке двигателя должны работать. Приводимые ранее в действие посредством ДВС компоненты теперь должны работать только на электричестве.
Электрический вакуумный насос
Функции вакуумного насоса:
Электрогидравлический усилитель рулевого управления
Для работы усилителя рулевого привода во время автоматической остановки двигателя необходимо разъединить усилитель и ДВС и обеспечить независимую поддержку рулевого управления. Благодаря такой поддержке по мере необходимости одновременно обеспечивается оптимизация расхода топлива.
Компрессор кондиционера с электроприводом
Для обеспечения достаточной мощности охлаждения салона автомобиля во время автоматической остановки двигателя необходимо разъединить привод компрессора кондиционера и ДВС и обеспечить независимое кондиционирование салона, а также независимое охлаждение высоковольтной батареи. Это выполняется при помощи компрессора кондиционера с электрическим приводом. Благодаря такому охлаждению одновременно обеспечивается оптимизация расхода топлива. Электрический компрессор кондиционера отвечает за всасывание, сжатие хладагента и прокачивания его через систему. Электрический компрессор кондиционера в зависимости от температуры испарения плавно регулируется блоком управления кондиционера в диапазоне от 800 до 9000 мин^-1.
Гибридный автомобиль
Гибридным автомобилем называется транспортное средство, приводимое в движение с помощью гибридной силовой установки. Отличительной особенностью гибридной силовой установки является использование двух и более источников энергии и соответствующим им двигателей, преобразующих энергию в механическую работу. В некоторых источниках информации используется термин «гибридный двигатель», который с технической точки зрения неверен.
Несмотря на многообразие источников энергии (тепловая энергия бензина или дизельного топлива, электроэнергия, энергия сжатого воздуха, энергия сжатого сжиженного газа, солнечная энергия, энергия ветра и др.) в промышленном масштабе на гибридных автомобилях используется комбинация двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя.
Главное преимущество гибридного автомобиля заключается в существенном сокращении расхода топлива и выбросов вредных веществ в атмосферу, которое достигается:
— согласованной работе ДВС и электродвигателя;
— применением аккумуляторов большой емкости;
— использованием энергии торможения, т.н. рекуперативное торможение, преобразующее кинетическую энергию движения в электроэнергию.
Вместе с тем, в гибридных автомобилях используется множество других инновационных разработок, позволяющих экономить топливо и беречь атмосферу, в том числе: система изменения фаз газораспределения; система стоп-старт; система рециркуляции отработавших газов; система подогрева охлаждающей жидкости отработавшими газами; улучшенная аэродинамика; электропривод вспомогательных устройств (водяного насоса, климатической установки, усилителя руля и др.); шины с пониженным сопротивлением качению.
В зависимости от характера взаимодействия двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя различают следующие схемы гибридных силовых установок: последовательная, параллельная, последовательно-параллельная.
Последовательная схема гибридного автомобиля
При последовательной схеме автомобиль приводится в движение от электродвигателя. Двигатель внутреннего сгорания соединен только с генератором, который в свою очередь питает электродвигатель и заряжает аккумуляторную батарею.
Представителями Plug-in Hybrid являются автомобили Chevrolet Volt, Opel Ampera. Их еще называют электромобилями с увеличенным радиусом действия (Extended Range Electric Vehicle, EREV). Эти автомобили имеют возможность движения до 60 км на энергии аккумуляторов и до 500 км на энергии генератора, приводимого в действие ДВС.
Параллельная схема гибридного автомобиля
В параллельной схеме электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания устанавливаются таким образом, что могут работать как самостоятельно, так и совместно. Это достигается путем соединения ДВС, электродвигателя и коробки передач с помощью автоматически управляемых муфт.
Гибридные автомобили, использующие параллельную схему, носят название Mild Hybrid (дословно — умеренный гибрид). В них используется электродвигатель малой мощности (порядка 20 кВт), который обеспечивает, как правило, дополнительную мощность при ускорении автомобиля. В большинстве конструкций электродвигатель, расположенный между ДВС и коробкой передач, выполняет также функцию стартера и генератора.
Известными гибридными автомобилями с параллельной схемой являются Honda Insight, Honda Civic Hybrid, BMW Active Hybrid 7, Volkswagen Touareg Hybrid, Hyundai Elantra Hybrid. Пионером в данной области является Honda и ее система Integrated Motor Assist, IMA (дословно – интегрированный помощник двигателя).
Последовательно-параллельная схема гибридного автомобиля
При последовательно-параллельной схеме двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель соединены через планетарный редуктор. При этом мощность каждого из двигателей может передаваться на ведущие колеса одновременно в соотношении от 0 до 100% от номинальной мощности. В отличие от параллельной схемы в последовательно-параллельную схему добавлен генератор, обеспечивающий энергией работу электродвигателя.
Гибридные автомобили, использующие последовательно-параллельную схему, носят название Full Hybrid(дословно — полный гибрид). Известными полными гибридами являются автомобили Toyota Prius, Lexus RX 450h, Ford Escape Hybrid. В этом сегменте рынка гибридных автомобилей господствует компания Toyota и ее система Hybrid Synergy Drive, HSD.
Силовая установка системы HSD представляет собой двигатель внутреннего сгорания (соединенный с водило планетарного редуктора), электродвигатель (соединенный с коронной шестерней планетарного редуктора), генератор (соединенный с солнечной шестерней планетарного редуктора).
Двигатель внутреннего сгорания работает по циклу Аткинсона, при котором реализуются посредственные мощностные показатели на низких оборотах, соответственно достигается большая топливная экономичность и меньшие вредные выбросы.
В работе системы Hybrid Synergy Drive выделяются следующие режимы:
1 Режим электромобиля, при котором ДВС выключен, а аккумуляторная батарея питает электродвигатель.
2 Режим движения с постоянной (крейсерской) скоростью, при котором мощность от ДВС распределяется между ведущими колесами и генератором. Генератор в свою очередь питает электродвигатель, мощность которого суммируется с мощностью ДВС. При необходимости производится зарядка аккумуляторной батареи.
3 Форсированный режим, при котором к ДВС присоединяется электродвигатель, питающийся от аккумуляторной батареи, обеспечивая импульс мощности.
4 Экономичный режим, при котором аккумуляторная батарея питает генератор. Генератор преобразует электрическую энергию в механическую, замедляя вращение ДВС. При этом крутящий момент двигателя не уменьшается, а достигается топливная экономичность.
5 Режим торможения, при котором электродвигатель работает как генератор, а электроэнергия используется для вращения солнечной шестерни в противоположную сторону, замедляя скорость движения автомобиля.
6 Режим зарядки аккумулятора, осуществляющийся с помощью ДВС и генератора.
Устройство гибридного автомобиля
Прототип автомобиля с гибридным двигателем появился еще в конце 19 столетия. Сегодня он представляет собой транспортное средство, способное при небольшой скорости не использовать топливо, а осуществлять движение за счет электрической энергии.
Гибридный двигатель – это система, состоящая из электрического и топливного двигателей. При этом, в период работы каждый может быть задействован как по отдельности, так и оба в независимых циклах.
Устройство и принцип работы
Самый распространенный режим работы гибридного двигателя заключается в том, что при движении авто на небольшой скорости, например, в черте города, используется его электрический блок. При движении машины по трассе – в работу включается двигатель внутреннего сгорания (ДВС). В случае большой нагрузки, например, при резких подъемах в гору, в работу включаются оба двигателя.
Безусловно, к плюсам такого устройства можно отнести то, что при использовании электрического двигателя, значительно сокращается расход топлива, так как он работает от постоянно восполняемой энергии аккумулятора.
Возможность, хотя бы отчасти, снизить количество выбрасываемых вредных веществ в воздух – еще один плюс гибридной системы автомобиля.
Гибриды характеризуются малой мощностью, которую помогает компенсировать ДВС.
Двигатели в гибридах могут быть как бензиновые, так и дизельные. Более того, производители газобаллонного оборудования (ГБО) разработали системы способные работать на этих автомобилях.
Пример конструкции гибрида
Устройство гибрида включает в себя:
— Двигатель внутреннего сгорания. Его устройство и размеры сконструированы таким образом, что позволяет снизить вес, вредные выбросы и расход топлива.
— Электродвигатель разработан с учетом особенностей гибрида. Его сделали не только сгенерировано работающим с топливным блоком, но и уделили особое внимание показателям мощности. Параллельно он вырабатывает энергию для подзарядки АКБ автомобиля. Может быть выполнен встроенным в силовую установку или размещаться отдельно от неё, в некоторых моделях используются сразу оба варианта.
— Трансмиссия. Работа трансмиссии гибрида фактически совпадает с ее устройством на обычных автомобилях. Но, в зависимости от вида гибридного двигателя, они могут отличаться. Коробки передач в них бывают, как гибридные с интегрированным электродвигателем, так и обычные механического и автоматического исполнения. Например, трансмиссия автомобиля Toyota устроена с разветвлением потоков мощности. Двигатель такого типа работает в режиме плавных нагрузок, что помогает значительно экономить расход топлива.
— Топливный бак. Необходим для питания топливом ДВС. Для наглядности того, что топливная система имеет ряд преимуществ, хотелось бы привести один факт в пользу этого: энергия, получаемая при сгорании 1 литра бензина сопоставима с энергией, вырабатываемой аккумулятором весом около 450 кг.
— Аккумулятор. Его главная функция – выработка достаточного уровня энергии для работы электродвигателя. В авто используется две батареи, высоковольтная и обычная на 12 (В) для питания бортовой сети. Изначально до запуска всех систем питание идет только от стандартного аккумулятора, так как для работы высоковольтной батареи и инвертора необходимо постоянное охлаждение.
-Инвертер преобразует постоянный ток высоковольтной батареи в переменный трехфазный для электродвигателя и наоборот. Также регулирует распределение энергии и управляет электродвигателем.
— Генератор. Его принцип работы такой же как у электродвигателя, но направлен на вырабатывание электрической энергии.
3 типа гибридных агрегатов
Как было уже отмечено ранее, гибридная система автомобиля представляет собой комбинирование моторов, своего рода, две разных скрещенных технологии. Технику гибридного привода характеризуют в двух направлениях – это двухтопливный или бивалентный и гибридный силовой агрегат.
Данное разделение на две комбинации силовых агрегатов определено для их классификации по разному принципу работы.
Устройство гибридного силового агрегата включает в себя двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель-генератор. Таким образом, электродвигатель это и генератор энергии, и тяговый электродвигатель, и стартер для пуска ДВС.
Существует три типа гибридного силового агрегата. Главным критерием для классификации служит исполнение основной конструкции. Следовательно, выделяют: микрогибридный силовой агрегат, среднегибридный силовой агрегат и полногибридный силовой агрегат.
Микрогибридный силовой агрегат
Концептуальная особенность данного типа привода заключается в его электрической части, которая необходима только для выполнения функции «старт-стоп». При этом, часть выработанной кинетической энергии повторно используется как электроэнергия (процесс рекуперации).
Привод исключительно за счет работы электрической тяги не возможен. Рабочие характеристики 12-вольтного аккумулятора гибрида с наполнителем из стекловолокна приспособлены к частым пускам двигателя. Также для накопления энергии от рекуперации может использоваться накопитель в виде электрохимического конденсатора.
Микрогибрид от компании Mazda
Среднегибридный силовой агрегат
Электрический привод помогает работе двигателя внутреннего сгорания. При этом, движение гибрида лишь за счет электротяги не осуществляется. У данного типа гибридного мотора электрическая энергия регенерируется при торможении, а затем накапливается в высоковольтной аккумуляторной батарее.
Устройство высоковольтной АКБ гибрида и всех его электрических частей отвечает необходимому уровню напряжения, что позволяет вырабатывать достаточно высокую мощность. В итоге, благодаря поддержке ДВС электродвигателем, его работа характеризуется максимальной эффективностью.
Полногибридный силовой агрегат
Работа двух моторов: электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания, в данном типе комбинируется между собой. Полногибридный тип позволяет машине двигаться только за счет электрической тяги и достаточно большое расстояние. При определенных условиях силовой агрегат функционирует как среднегибридный.
В этих автомобилях устанавливаются достаточно мощный электродвигатель и высоковольтные АКБ большего объема, что и позволяет им выдавать такие характеристики. Основой подзарядки батареи выступает также процесс рекуперации энергии.
Функция «старт-стоп» реализована для двигателя внутреннего сгорания, который запускается только при необходимости. А разъединение ДВС с электродвигателем осуществляется за счет установленного сцепления между ними, поэтому они могут функционировать независимо друг от друга.
Схемы взаимодействия работы электродвигателя и ДВС
Автомобили-гибриды сконструированы по трем схемам взаимодействия двигателей. Рассмотрим каждую из них.
Последовательная схема взаимодействия
Данный принцип устройства представляет собой самый простой вариант автомобильного двигателя-гибрида. Его схема работы такая: крутящий момент от двигателя внутреннего сгорания идет к генератору. Затем генератор вырабатывает необходимое для работы электричество и передает его в аккумулятор. Дополнительно подзаряд аккумулятора осуществляется и путем процесса рекуперации кинетической энергии. В этой схеме движение автомобиля осуществляется лишь за счет электрической тяги.
Данная схема характеризуется последовательным преобразованием энергии, т.е. энергия, поступающая от сгораемого топлива в двигателе внутреннего сгорания, превращается в механическую, далее трансформируется в электрическую за счет генератора, и затем вновь преобразуется в механическую энергию.
Положительные стороны последовательной схемы:
Отрицательные стороны последовательной схемы:
Самый яркий представитель гибридного автомобиля с последовательной схемой взаимодействия Chevrolet Volt
Если говорить о самом подходящем варианте движения автомобиля с последовательной схемой взаимодействия, то это городской трафик с частыми остановками, когда постоянно в работу включается система рекуперации энергии.
Параллельная схема взаимодействия
Такое название эта схема получила потому что, двигатели авто работают постоянно вместе. Принцип работы данного типа взаимодействия двух модулей происходит за счет электроники авто, электродвигателя и ДВС. Оба двигателя соединены с коробкой передач по средствам планетарной передачи.
Чисто на электрической энергии такие гибриды способны ехать не продолжительное время, при этом ДВС отключается от трансмиссии сцеплением.
Блок управления распределяет крутящий момент от обоих двигателей в зависимости от режима движения автомобиля. Двигателю внутреннего сгорания отведена более важная роль, а электродвигатель запускается при необходимости дополнительной тяги, например, когда авто резко ускоряется. При торможении или плавном движении электромотор работает как генератор электроэнергии.
Электромотор внедрен в коробку передач BMW 530E iPerformance
Существуют модификации с электродвигателем отдельно от ДВС, они представляют собой сложную систему, но в тоже время эффективную. Этот модуль состоит из двух электромоторов, тягового соединенного через планетарную передачу со вторым, который служит генератором и стартером.
В такой схеме ДВС не связан напрямую с колесами, что позволяет постоянно передавать часть момента генератору и подзаряжать батарею.
Силовая установка параллельного гибрида с независимыми электромоторами
Положительные стороны параллельной схемы:
Так как основная работа отведена ДВС, то не возникает необходимости в установке мощной высоковольтной батареи. Двигатель внутреннего сгорания напрямую связан с ведущими колесами, поэтому потери энергии значительно меньше.
Отрицательные стороны параллельной схемы:
Самый главный минус данной схемы – это больший расход топлива в сравнении с другими схемами взаимодействия двигателей. Получается, что сэкономить на городском трафике не получится, наиболее удачным вариантом будет движение по трассе.
Последовательно-параллельная схема взаимодействия
Уже само название этой схемы указывает на то, что данный тип – это вариант совмещения двух ранее рассмотренных схем: последовательной и параллельной. Движение автомобиля на низкой скорости и его старт с места осуществляется только за счет силы электрической части. ДВС поддерживает работу генератора авто, как при последовательной схеме взаимодействия. Передача крутящего момента от ДВС на колеса происходит при движении на большой скорости.
При высоких нагрузках, требующих повышенной мощности, генератор автомобиля может не выдать нужное количество энергии, и в таком случае электродвигатель питается дополнительно от аккумулятора, как при параллельной схеме взаимодействия.
В данной схеме предусмотрен дополнительный генератор, он подзаряжает АКБ. Электродвигатель необходим только для привода ведущих колес и для обеспечения рекуперативного торможения.
Часть крутящего момента, переходящая от двигателя внутреннего сгорания, уходит на ведущие колеса, а некоторая его часть – для работы генератора, который в свою очередь питает электродвигатель и заряжает АКБ.
За направление крутящего момента на колеса, генератор или электродвигатель и его соотношении отвечает планетарный механизм – распределитель мощности. Регулировкой подачи мощности из генератора и батареи занимается электронный блок управления автомобиля.
Также эта технология применяется и на гибридных полноприводных авто. На передней оси установлен ДВС с электродвигателем по параллельной схеме, а на задней только электродвигатель имеющий связь с ДВС по последовательной схеме.
Полноприводный гибрид от компании Mitsubishi
Положительные стороны последовательно-параллельной схемы:
Не сложно догадаться, что неоспоримым плюсом данной схемы гибрида является его большая экономичность топлива в сочетании с хорошими мощностными характеристиками. Ценители природы оценят ее экологичность.
Отрицательные стороны последовательно-параллельной схемы:
Среди отрицательного – это более сложная конструкция по сравнению с предыдущими схемами, и как следствие, большая цена. Поскольку необходим дополнительный генератор, емкая АКБ и сложная электронная схема управления.
Заключение
Мы рассмотрели все типы гибридов и схемы их взаимодействия, но в целом существует множество видов, которые сложно отнести к одной из них, поскольку с течением времени технологии все больше смешиваются и дорабатываются.
На одних используют гидромуфты с редуктором вместо планетарной передачи, на других экспериментируют с задним расположением ДВС или вообще разносят по двум осям ДВС и электродвигатель. Конструкторы не останавливаются на достигнутом и все больше развивают это направление.