Устройство и принцип работы. Самый распространенный режим работы гибридного двигателя заключается в том, что при движении автомобиля 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.
Двигатели в гибридах могут быть как бензиновые, так и дизельные. Более того, производители газобаллонного оборудования (ГБО) разработали системы способные работать на этих автомобилях.
Основные агрегаты гибридного автомобиля включают (рис. 11.1).
Пример конструкции гибрида
Двигатель внутреннего сгорания. Его устройство и размеры сконструированы таким образом, что позволяет снизить массу, выброс вредных выхлопных газов и минимизировать расход топлива.
Электродвигатель разработан с учетом особенностей гибрида. Его характеристики согласованы с параметрами топливного блока, особенно с показателями мощности. Параллельно он вырабатывает энергию для подзарядки АКБ автомобиля. Может быть выполнен встроенным в силовую установку (рис. 11.2) или размещаться отдельно от неё. В некоторых моделях используются сразу оба варианта.
Трансмиссия гибрида фактически аналогична конструкции в обычных автомобилях. Однако по компоновке, в зависимости от вида гибридного ДВС, они могут отличаться. Коробка передач разработана для гибридного варианта с интегрированным электродвигателем, так и обычная для механического и автоматического управления. Например, трансмиссия автомобиля Toyota устроена с разветвлением потоков мощности. Двигатель может в этом случае работать в режиме плавных изменений нагрузок, что значительно экономит расход топлива.
Аккумулятор. Его главная функция – сохранение достаточного уровня электронергии и ее подачи в регулируемом режиме для работы электродвигателя и других источников питания. В автомобиле используется две батареи, высоковольтная и обычная на 12 (В) для питания бортовой сети. Изначально до запуска всех систем используется питание от стандартного аккумулятора, в том числе и для работы высоковольтной батареи и инвертора, обеспечивая постоянное их 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 в основном такой же, как и обычного электрогенератора.
Топливный бак предназначен для хранения чистого топлива и его непрерывной подачи для питания, работающего 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 (рис. 11.3).
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 (рис. 11.4) 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 (рис. 11.5). 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.
Системы полногибридных силовых агрегатов делятся на четыре подгруппы:
— последовательный гибридный силовой агрегат;
— параллельный гибридный силовой агрегат;
— параллельно-последовательный гибридный силовой агрегат
В случае применения последовательного гибридного силового агрегата автомобиль оборудуется двигателем внутреннего сгорания 1, генератором 2 и электродвигателем-генератором 3 (рис. 11.6). Мощность от ДВС на колеса не передаётся. Основной привод автомобиля осуществляет электродвигатель-генератор. Если ёмкость высоковольтной батареи слишком низкая, запускается двигатель внутреннего сгорания. Через генератор двигатель внутреннего сгорания заряжает высоковольтную батарею.
1 – АКБ; 2 – ДВС; 3 – коробка передач; 4 – ведущие колеса; 5 – инвертер — генератор-электромотор
Параллельный гибридный силовой агрегат используется в том случае, когда необходимо «гибридизировать» существующий автомобиль (рис. 11.7).
1 – АКБ; 2 – инвертер; 3 – ДВС; 4 – трансмиссия; 5 – ведущий мост; 6 – колеса; 7 – электродвигатель
ДВС, электродвигатель-генератор и коробка передач (редуктор) располагаются на одной оси (рис. 11.8). Обычно в системе параллельного гибридного силового агрегата используется один электродвигатель-генератор. Сумма единичной мощности ДВС и мощности электродвигателя-генератора соответствует полной мощности. Эта концепция обеспечивает высокую степень заимствования узлов и деталей традиционного автомобиля.
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
Существуют модификации с электродвигателем отдельно от ДВС, они представляют собой сложную систему, но в тоже время эффективную (рис. 11.9). 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. При торможении ДВС отключается и начинает генерироваться энергия.
Силовая установка параллельного гибрида с независимыми
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.
Параллельно-последовательный гибридный силовой агрегат представляет собой смешанную форму двух описанных выше гибридных приводов (рис. 11.10). Автомобиль оборудован одним ДВС 1 и двумя электродвигателями-генераторами 3. ДВС и первый электродвигатель-генератор размещены под капотом. Второй электродвигатель-генератор расположен на задней оси. Эта концепция используется для полноприводных автомобилей.
ДВС и первый электродвигатель-генератор через делитель мощности (планетарная передача) могут приводить одноступенчатый редуктор (коробку передач) автомобиля. В этом случае одиночные мощности привода не могут отбираться для привода колёс в виде суммарной мощности. Второй электродвигатель-генератор на задней оси активируется при необходимости. В связи с таким конструктивным исполнением привода высоковольтная батарея располагается между обеими осями автомобиля. Подобный тип привода применяется в автомобилях Toyota, Lexus-RX 400h.
В зависимости от условий движения может использоваться тяга электродвигателя или ДВС. Режим выбирается программной системой управления транспортного средства.
Рассмотрим следующие фазы работы.
— На скорости выше средней, бензиновый двигатель передаёт часть энергии (через водило и корону планетарной передачи) непосредственно на передние колеса. Оставшаяся часть энергии (через водило и солнечную шестерню) идет на электрогенератор. От генератора часть тока передается на подзарядку батареи, а часть возвращается (через инвертор 500 В) на тяговый электромотор, который вращает передние колеса через коронную шестерню.
— При обгоне (максимальном ускорении) ЭБУ прекращает подзарядку батареи и направляет весь ток от генератора на электромотор. Кроме того, ток от батареи через инвертор также поступает на электромотор.
— При торможении компьютер выключает ДВС, а электродвигатель переключается в режим генерации тока и возвращает энергию в батарею (рекуперация).
— На малой скорости (до 50 км/ч) автомобиль работает в режиме электромобиля, получая энергию только от батареи.
Фактически, силовая установка автомобиля разделена на два модуля — электрическая подсистема отвечает за работу на переходных и установившихся режимах, подсистема внутреннего сгорания — только за работу на установившихся режимах. Такой подход кардинально меняет требования к ДВС и целевые функции конструкторов при разработке всей силовой установки автомобиля, а не только одной трансмиссии.
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: более сложная конструкция по сравнению с предыдущими схемами, и как следствие, высокая стоимость ТС, так как установлен дополнительный генератор, большей емкости АКБ и сложная электронная схема управления.
Электродвигатель-генератор (рис. 11.12), представляющий собой синхронный двигатель трехфазного тока размещён между двигателем внутреннего сгорания и коробкой передач (редуктором).
1 – силовой ввод электродвигателя-генератора; 2 – ротор; 3 – статор; 4 – корпус гибридного привода; 5 – пружина нажимного диска; 6 – ведомый диск сцепления; 7 – маховик
При торможении автомобиля электродвигатель-генератор с помощью рекуперации вырабатывает электрическую энергию для высоковольтной батареи, и таким образом преобразует часть избыточной кинетической энергии обратно в электрическую энергию.
На педали тормоза находится датчик хода педали тормоза. Если системой управления распознаётся торможение, то система гибридного привода переключает электродвигатель-генератор, чтобы он заряжал высоковольтную батарею как генератор.
В режиме электрического привода функция электродвигателя-генератора меняется с функции генератора на функцию тягового электродвигателя.
При отсоединённом ДВС электродвигатель-генератор обеспечивает привод автомобиля. В зависимости от сопротивления движению (сопротивление воздуха, сопротивление качению, движение на подъём, сопротивление трения) электродвигатель-генератор в режиме тягового электродвигателя может разгонять автомобиль до скорости примерно 50 км/ч. Если же водителю требуется более высокая скорость, то мощности электродвигателя-генератора недостаточно. Поэтому система гибридного привода самостоятельно ДВС.
Электродвигатель-генератор питается от силового электронного модуля по трёхфазному электрическому кабелю. С помощью силового электронного модуля постоянное напряжение 288 В преобразуется в трёхфазное переменное напряжение, которое создает в электродвигателе-генераторе трёхфазное электромагнитное поле.
Электродвигатель-генератор имеет обмотку статора, которая в режиме двигателя создаёт вращающееся магнитное поле (рис. 11.13). Для создания магнитного поля на ротор установлены постоянные магниты. Частота вращения синхронного двигателя регулируется с помощью частоты подаваемого трехфазного переменного тока. Для обеспечения плавной регулировки частоты вращения синхронного двигателя применяется частотный преобразователь. Датчики положения ротора постоянно отслеживают его положение. По их сигналам электронный блок управления определяет фактическую частоту вращения.
Если электродвигатель-генератор работает в режиме генератора, то ротор приводится в движение внешним усилием привода через коробку передач (редуктор). Если электродвигатель-генератор работает в режиме двигателя, то обмотка статора создаёт вращающееся магнитное поле.
Вследствие того, что магнитное поле ротора перемещается относительно катушек электромагнитов статора, в катушках для каждой фазы возникает напряжение. Через катушки последовательно проходит магнитное поле ротора.
1 – ротор; 2 – статор; 3 – магнитное поле статора
Поскольку электродвигатель-генератор представляет собой синхронный генератор трехфазного тока, а аккумуляторы могут накапливать только постоянное напряжение, в силовой электронный модуль интегрирован преобразователь (инвертер) высоковольтной батареи. Если электродвигатель-генератор работает в режиме генератора, то преобразователь превращает переменное напряжение в постоянное напряжение 288 В для зарядки высоковольтной батареи. Сглаживание выпрямленного напряжения для высоковольтной сети осуществляется с помощью высоковольтной батареи, а для бортовой сети с помощью АКБ (12 В). Зарядка низковольтной батареи производится от высоковольтной батареи через преобразователь или от генераторной установки ДВС.
Для преобразования трёхфазного переменного напряжения генератора в постоянное напряжение для зарядки батареи применяется выпрямитель — инвертер. При этом три фазы переменного напряжения вначале выпрямляются, а затем сглаживаются, чтобы получить практически неизменное постоянное напряжение. Затем оно ограничивается до необходимого значения и поступает на аккумуляторную батарею. При обратном преобразовании для привода электродвигателя постоянное напряжение батареи преобразуется в трёхфазное переменное напряжение.
В системе параллельной гибридной силовой установки электродвигатель также выполняет функции генератора и стартера. Функции генератора электродвигатель выполняет при необходимости подзарядки высоковольтной аккумуляторной батареи или при регенерации (рекуперации) кинетической энергии автомобиля при торможении. В первом случае генератор получает механическую энергию (вращение) от работающего ДВС, а во втором случае от ведущих колёс автомобиля.
В качестве АКБ в гибридных автомобилях применяются никель-металл-гидридный или литий-ионный аккумулятор.
Рекуперация. При использовании технологии гибридного привода и электромобиля, дополнительно к основным тормозам генератор используется в качестве моторного тормоза. В этом случае часть кинетической энергии преобразуется в электрическую, и таким образом становится доступной для последующего использования. Энергетический баланс автомобиля улучшается. Этот вид регенеративного торможения называют рекуперативным тормозом.
При движении автомобиля в режиме принудительного холостого хода или под уклон, а также при торможении система гибридного привода включает электродвигатель-генератор, и использует его в режиме генератора. В этом случае он заряжает высоковольтную батарею, служащую для питания электродвигателя-генератора.
При движении автомобиля накатом электродвигатель-генератор, работающий в режиме генератора, преобразует механическую энергию в электрическую, которое требуется для работы АКБ бортовой сети (12 В).
Функция стоп-старт. В обычном автомобиле с системой стоп-старт, для отключения ДВС автомобиль должен остановиться. Автомобиль же с полным гибридным приводом может двигаться и на электрической тяге. Эта особенность позволяет системе стоп-старт отключать двигатель внутреннего сгорания на движущемся, или катящемся накатом автомобиле. ДВС включается в зависимости от потребности. Это может происходить в случае быстрого разгона, при движении на высокой скорости, с высокой нагрузкой, или при высокой степени разряженности высоковольтной батареи. В этом случае система гибридного привода может использовать ДВС в сочетании с электродвигателем-генератором, работающим в режиме генератора, для зарядки высоковольтной батареи. В других случаях, например, при медленном движении транспортного потока, остановки на светофоре, при движении в режиме принудительного холостого хода под уклон, или при движении автомобиля накатом, автомобиль с полным гибридным приводом может двигаться на электрической тяге. ДВС при этом находится в режиме останова, что позволяет снизить выброс токсичных веществ с отработавшими газами и СО2 в окружающую среду и повысить в целом КПД привода.
Ведущие производители автомобилей, такие как Mercedes-Benz, Honda, Toyota, Hyundai и другие рассматривают различные варианты будущего гибридных автомобилей. Это, например, воздушные гибриды PSA и Bosch, а также электрическая система 48 В (бортовая сеть), предлагаемая ведущими поставщиками автозапчастей, такими как Delphi, Continental и Bosch. Среди наиболее перспективных решений внедрение такого типа в ближайшее время. Фирма Honda сделала первые шаги в этой области, выпустив небольшую серию модели FCX Clarity на рынок США.
Гибриды значительно дороже, чем обычные автомобили. И в данном случае не имеет значение его марка. По этом недостатке они проигрывают автомобилям с ДВС, а по другим выигрывают у электромобилей. Цену можно считать одним из самых главных ограничителей расширения продаж гибридных автомобилей, например, в Российской Федерации (по данным специалистов).
Так или иначе, гибридов становится все больше, и объемы продаж растут. Особенно это касается более «зеленых» PHEV. Только в Европе во 2 квартале 2021 года, по данным Европейской ассоциации автопроизводителей (ACEA), доля подключаемых гибридов выросла до 8,4 %. Объем обычных HEV также увеличился — 19,3 % всех регистраций автомобилей в ЕС.В значительной степени этот бум обеспечен государственным субсидиями, но многим гибриды просто нравятся.
На сегодняшний день достаточно хорошо известны многие модели гибридных автомобилей от самых разных производителей. В их конструкции реализовываются различные технические подходы и решения. Гибридные автомобили можно считать самостоятельным классом транспортных средств, достаточно широко распространившихся по всему миру.
Сегодня гибриды кажутся большим шагом в экологичное будущее, а аналитики предсказывают стабильный рост продаж. Если гибриды в соревновании с другими типами ТС выживут, то можно ожидать это будут не вариации с ДВС, а водородные или еще более технологичные автомобили.