Кроме перечисленных гибридов существуют понятие «мягкий гибрид», использующий не высокое напряжение, а повышенное, относительно классического 12-ти вольтового. В качестве примера рассмотрим «мягкий гибрид» mild hybrid electric vehicle (mHEV) с 48-вольтной системой напряжения бортовой сети.
Отличительной особенностью данного гибрида является относительно небольшое изменение конструкции автомобильного двигателя, что позволяет значительно сократить затраты при производстве. Компоновка генераторной установки близка к классической 12-вольтовой системе. По данным предприятий-изготовителей, в зависимости от стиля вождения система mHEV позволяет достичь экономии топлива до 0,4 л на 100 км или сокращения выбросов CO₂ на 8 г. Кроме этого система повышает комфорт при повторном пуске ДВС и разгоне (в сравнении с «классическим» автомобилем. Результаты от внедрения системы значительно превосходят затраты. Основным недостатком при этом является отсутствие возможности движения только на электротяге. Блок схема данного гибрида приведена на рис. 11.14 с указанием взаимодействия обоих значений напряжения.
По принципу работы генераторная установка подобна на классическую с той лишь особенностью, что выходное напряжение вырабатывается с уровнем 48 вольт для зарядки литий-ионной аккумуляторной батареи. Токоведущая часть и провода бортовой сети 48 В на автомобиле используют изоляцию сиреневого цвета. Положительный вывод генераторной установки обозначается номером 40 и масса обозначается номером 41. Клемм масс 41 и 31 присоединены к кузову транспортного средства. Кроме перечисленных выше силовых клемм мотор – генератор имеет коммутационную колодку для подключения к шине данных.
На рис. 11.15. показано расположение основных компонентов мягкого гибрида на автомобиле .
1 – литиевая АКБ 48 В; 2 – преобразователь DC/DC; 3 – коммутационный блок; 4 – АКБ 12 В; 5 – стартер; 6 – мотор-стартер-генератор 48 В; 7 – ременной привод
Мотор-стартер-генератор подключается посредством CAN шины к преобразователю (инвертеру) DC/DC и высоковольтной батарее. Данные в этой шине передаются со скоростью 500 Кбит/с. Данные в CAN шине связи с двигателем внутреннего сгорания передаются со скоростью 2Мбит/с.
Ременной привод шкива с двумя роликами образуют омегавидную механическую систему (двухрычажный натяжитель ремня – кронштейн) для увеличения площади контакта поликлинового ремня с шкивом мотор-стартера генератора в соответствии с рис. 11.16.
1 – шкив коленчатого вала; 2 – двухрычажный натяжитель ремня (омегообразный кронштейн); 3 – мотор-стартер-генератор 48 В; 4 – компрессор климатической установки
Основными задачами мотор-стартера-генератора являются зарядка 48-вольтной батареи, пуск двигателя внутреннего сгорания, а также форсированный режим при разгоне.
Обмотки мотор – стартера – генератора трехфазные и соединяются по схеме двойной звезды. Эти обмотки гальванически развязаны и выполняют различные функции. Ротор выполнен по классической схеме с клювообразными полюсами и включает 16 постоянных магнитов. Обмотка генератора соединена с диодным выпрямителем, с которого впоследствии снимается постоянное напряжение 48 вольт для зарядки литий-ионной АКБ. Максимальная мощность в генераторном режиме составляет 12 кВт, однако в таком режиме мотор-генератор может работать не более 5 секунд, после чего переходит в номинальный режим.
В режиме двигателя максимальная мощность составляет 9 кВт, и может быть использована в течении 10 секунд, как правило в режиме ускорения, т.к. в режиме пуска необходимая и достаточная мощность составляет 2 кВт.
Мотор – стартер – генератор имеет пассивное воздушное охлаждение. Внутренний блок управления гальванически изолирован от бортовой сети 48 В и работает от отдельного питания 12 В. Для управления двигателем в задней части мотор – стартера – генератора установлен инвертор, выполненный в соответствии с МОП-транзисторной технологией.
В связи с большими нагрузками (максимальной мощностью 12 кВт) на поликлиновой ремень при работе мотор-генератора требуется повышенные качества ремня, такие как прочность, плотность, термостойкость, гашение вибрации, долговечность. Для улучшения передачи крутящего момента ремни из полиэфирных волокон выполняются большего сечения. Одним из способов повышения свойств ремня является армирование арамидными волокнами.
Литий-ионная аккумуляторная батарея 48 В подаёт энергию в 12-вольтную бортовую сеть во время движения накатом и при выключенном двигателе внутреннего сгорания. В форсированном режиме литий-ионная батарея возвращает накопленную энергию мотор – стартеру – генератору. Она выполнена в ударопрочном алюминиевом корпусе и устанавливается преимущественно под передним правым сиденьем. Имеет приточно-вытяжную вентиляцию в днище автомобиля с уплотнением и охлаждается ШИМ-регулируемым вентилятором. В случае ДТП автоматически отсоединяется от бортовой сети по сигналу блока управления подушек безопасности. В состав батареи входит 24 литий-ионных элемента ёмкостью 6,9 А*ч каждый. Используется схема (P2S12): 2 параллельно подключенных блока по 12 последовательно соединенных призматических элементов. Максимальная отдаваемая сила тока 350А. Номинальное напряжение АКБ 44В. Диапазон напряжения АКБ в нормальном режиме от 36 до 50,4В.
Преобразователь напряжения (инвертор) 48В постоянного тока в постоянный ток с напряжением (DC/DC). Через шину CAN преобразователь соединён с диагностическим интерфейсом шин данных. Номинальная мощность 2,7 кВт. Номинальная сила тока 185А. Кратковременная пиковая сила тока 275А.
«Мягкий гибрид» имеет несколько функций. Функция «ЭКО-накат» или «накат с выключенным двигателем» используется совместно с роботизированными коробками передач. В режиме принудительного холостого хода за счёт размыкания фрикционных муфт в коробке передач DSG отсоединяет ДВС от трансмиссии и выключает его. Снижаются потери на сопротивление и расход топлива двигателем внутреннего сгорания в режиме холостого хода. Функция наката активируется, когда водитель отпускает педаль акселератора и не тормозит. Цель этой функции — минимизировать время работы ДВС и тем самым уменьшить выбросы токсичных веществ с отработавшими газами.
Функция «Change-of-mind» («водитель передумал») способна немедленно повторно запускать ДВС и подключать его к трансмиссии, как только водитель снова нажимает педаль акселератора. Такие ситуации могут быть, например, перед красным светофором, который переключается на зелёный, когда водитель замедлился до полной остановки. Повторный пуск происходит без задержки, потому что мотор-генератор в любое время может создать крутящий момент для разгона коленчатого вала — даже если впрыска топлива нет.
Расширенная функция «Старт-стоп» активируется не только при полной остановке, но уже начиная со скорости ниже 7км/ч. При скорости ниже 20 км/ч коробка передач DSG на пониженных передачах вниз не переключается. На автомобиле с обычным приводом ДВС продолжал бы работать на холостом ходу, а в данном случае он выключается. Благодаря расширенной функции старт-стоп автомобиль катится по инерции с разомкнутыми фрикционными муфтами и выключенным двигателем. Это благоприятно сказывается на комфорте движения, а также на снижении выбросов CO2 и вредных веществ.
Функция рекуперации. Наряду с вышеперечисленными функциями рекуперация представляет собой вторую существенную меру повышения эффективности гибридной системы 48В. Важную роль при этом играет электромеханический усилитель тормозов. Он позволяет распределять тормозное усилие между торможением за счёт рекуперации и торможением с помощью гидравлической системы. Таким образом обеспечивается высокая эффективность рекуперации. Потенциал преобразования кинетической энергии автомобиля обратно в электрическую энергию показан на диаграмме. Следует отметить, что функция рекуперации возможна только в том случае, если вал двигателя соединён с коробкой передач и трансмиссией.
Функция пуска в режиме принудительного холостого хода . При переходе от наката с выключенным двигателем к рекуперации для полного использования потенциала двигатель внутреннего сгорания должен подключаться комфортно и максимально быстро. Это происходит с помощью пуска в режиме принудительного холостого хода. Как только водитель начинает тормозить в режиме наката с выключенным двигателем, усилитель тормозов сразу создаёт давление в тормозной системе, чтобы быстро достичь начального замедления при торможении, т.е. происходит переключение с режима электроторможения в режим гидроторможения. Одновременно происходит быстрый и комфортный пуск в режиме принудительного холостого хода. Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания разгоняется мотор-стартером-генератором до частоты вращения коленчатого вала холостого хода, но впрыска топлива при этом не происходит. На следующем этапе двигатель — по-прежнему без выбросов CO2 и вредных веществ — подключается к трансмиссии. Затем усилитель тормозов в зависимости от требуемого замедления полностью или частично снижает давление в тормозной системе, поскольку теперь для замедления автомобиля может использоваться тормозной момент, создаваемый электрическим способом.
Стратегия зарядки и смещение точки нагрузки. Основной задачей системы регулирования зарядки является координация потоков электрической энергии в автомобиле. При этом к стратегии зарядки относится координация работы ДВС и мотор-стартера-генератора с целью максимального раскрытия потенциала сокращения выбросов CO2 в любых условиях движения. Для литий-ионной батареи это означает рациональную стратегию процессов её заряда и разряда для обеспечения максимальной эффективности всей системы (рис. 11.17).
Функция «форсированный режим». В системе мягкого гибридного привода очень важна поддержка ДВС в диапазонах низкой эффективности. Например, при интенсивных разгонах. Поэтому целью данной функции является улучшение характера трогания с места и повышение приёмистости двигателя, особенно на низких скоростях. Однако форсированный режим работы используется кратковременно.
Функция «мягкий пуск» позволяет запускать ДВС быстро и комфортно, и для водителя и пассажиров запуски проходят почти незаметно. Тогда как обычный стартер может раскручивать коленчатый вал только до 250–300 об/мин, мотор-стартер-генератор раскручивает коленчатый вал до достижения частоты вращения коленчатого вала холостого хода. При пуске обычным стартером двигатель дольше находится в диапазоне проблемной резонансной частоты двухмассового маховика, что приводит к ощутимой вибрации. В сравнении с этим мотор-стартер-генератор разгоняет двигатель примерно в два раза быстрее. За счёт этого область резонанса проходит быстро, и пусковая вибрация не проявляется.
Функция «Комфортный останов» с рекуперацией энергии. При остановке мотор-стартер-генератор активно затормаживает ДВС. Благодаря этому критическая область резонансной частоты вращения двухмассового маховика преодолевается быстрее, а процесс выключения двигателя проходит комфортнее за счёт минимизации нежелательной вибрации при останове. Кроме того, неподвижное состояние достигается заметно быстрее, чем при обычном выключении.
Функция «Экономичный холостой ход». Она работает при отключенных функциях «Старт-стоп» и «Рекуперация». Мотор-стартер-генератор позволяет регулировать холостой ход ДВС. В отличие от обычного регулирования холостого хода путем изменения угла опережения зажигания для создания запаса крутящего момента за счёт более позднего зажигания не требуется. При этом двигатель внутреннего сгорания может работать с оптимальным углом опережения зажигания и максимальным КПД, что положительно сказывается на уменьшении выбросов CO2 , и в этом случае сокращается расход топлива до 20 %. Необходимые воздействия для регулирования частоты вращения осуществляются оперативным регулированием момента с помощью мотор-стартера-генератора.
По степени участия электрических составляющих в процессе движения все гибридные автомобили можно разделить на четыре класса. Отдельно выделяют класс полностью электрических автомобилей. Все их особенности приведены в источнике E-CARS.TECH в таблице 11.1.
