Термин «гибрид» берет свое начало от латинского слова hybrida, и означает нечто скрещенное, или смешанное. В технике гибридом называют систему, в которой комбинируются друг с другом две разных технологии.
В связи с концепциями привода термин технология гибридного привода применяется для обозначения двух направлений:
— бивалентный (или двухтопливный) силовой агрегат;
— гибридный силовой агрегат.
Под автомобилями с двухтопливным силовым агрегатом подразумевают автомобили, у которых двигатель внутреннего сгорания для способен работать на различных видах топлива. К примеру, уже известны системы, в которых могут применяться минеральные и воспроизводимые виды топлива (дизельное/биодизельное топливо), или жидкие и газообразные топлива (бензин/природный газ/сжиженный газ), и число таких систем на рынке увеличивается.
Под автомобилями с гибридыми силовыми агрегатами понимаются комбинации из двух разных силовых агрегатов, работа которых основана на разных принципах действия. В настоящее время под технологией гибридного привода подразумевают комбинацию двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя-генератора. Электродвигатель-генератор может использоваться как генератор для выработки электрической энергии, тяговый электродвигатель для движения автомобиля, и стартер для запуска двигателя внутреннего сгорания.
Применение гибридных автомобилей стало очень актуально в связи с ограничениями выбросов CO2, и постоянно снижающихся запасов ископаемых источников энергии,
Применение гибридных систем привода является промежуточным этапом развития электромобилей.
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. 17.1, а). Мощность от двигателя внутреннего сгорания 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.
Параллельный гибридный силовой агрегат используется в том случае, когда необходимо «гибридизировать» существующий автомобиль. Двигатель внутреннего сгорания 1, электродвигатель-генератор и коробка передач (редуктор) располагаются на одной оси (рис. 17.1, а). Обычно в системе параллельного гибридного силового агрегата используется один электродвигатель-генератор. Сумма единичной мощности двигателя внутреннего сгорания и мощности электродвигателя-генератора соответствует полной мощности. Эта концепция обеспечивает высокую степень заимствования узлов и деталей традиционного автомобиля.
Параллельно- последовательный гибридный силовой агрегат представляет собой смешанную форму двух описанных выше гибридных приводов (рис. 17.1, в). Автомобиль оборудован одним двигателем внутреннего сгорания 1 и двумя электродвигателями-генераторами 3. Двигатель внутреннего сгорания и первый электродвигатель-генератор размещены под капотом. Второй электродвигатель-генератор расположен на задней оси. Эта концепция используется для полноприводных автомобилей.
Двигатель внутреннего сгорания и первый электродвигатель-генератор через делитель мощности (планетарный механизм) 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 Prius.
Электродвигатель-генератор (рис. 17.2), представляющий собой синхронный двигатель трехфазного тока размещён между двигателем внутреннего сгорания и коробкой передач (редуктором).
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 распознаётся торможение, 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 двигателе внутреннего сгорания 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 запускает двигатель внутреннего сгорания.
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. 17.3). Для создания магнитного поля на ротор установлены постоянные магниты. Частота вращения синхронного двигателя регулируется помощью частоты подаваемого трехфазного переменного тока. Для обеспечения плавной регулировки частоты вращения синхронного двигателя применяется частотный преобразователь. Датчики положения ротора постоянно отслеживают положение ротора. По их сигналам электронный блок управления определяет фактическую частоту вращения.
Если электродвигатель-генератор работает в режиме генератора, ротор приводится в движение внешним усилием привода через коробку передач (редуктор).
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.
Поскольку электродвигатель-генератор представляет собой синхронный генератор трехфазного тока, а аккумуляторы могут накапливать только постоянное напряжение, в силовой электронный модуль интегрирован преобразователь (инвертор) высоковольтной батареи. Он преобразовывает постоянное напряжение 288 В высоковольтной батареи для питания электродвигателя-генератора в переменное трёхфазное напряжение.
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).
Для преобразование трёхфазного переменного напряжения генератора в постоянное напряжение для зарядки батареи применяется инвертор, представляющий собой трансформатор. При этом три фазы переменного напряжения вначале выпрямляются, а затем сглаживаются, чтобы получить практически неизменное постоянное напряжение. 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 двигателя внутреннего сгорания, а во втором случае от ведущих колёс автомобиля.
В качестве АКБ в гибридных автомобилях применяются никель-металл-гидридный или литий-ионный аккумулятор.
В никель-металл-гидридном аккумуляторе (рис. 17.4) применяется гелиевый электролит, что не позволяет вытекать ему в случае повреждения батареи. Батарея состоит из двух модулей, каждый соответственно с напряжением 144 В. Оба модуля батареи соединены друг с другом через защитный выключатель и вместе выдают напряжение при уровне зарядки в 75% 288 В.
В качестве батарей в настоящее время чаще всего используются никель-металлгидридные модули и литиево-ионные аккумуляторы.
У никель-металлгидридных аккумуляторов никелевый электрод представляет собой пасту гидроксида никеля, смешанную с проводящим материалом и нанесенную на стальную сетку, а кадмиевый электрод — стальную сетку с впрессованным в неё губчатым кадмием. Пространство между электродами заполнено желеобразным составом на основе влажной щелочи, который замерзает при -27°С. Индивидуальные ячейки собирают в батареи, обладающие удельной энергией 20–35 Вт*ч/кг и имеющие большой ресурс — несколько тысяч зарядно-разрядных циклов.
При заряде выделяется достаточно большое количество тепла, особенно в конце заряда, что является одним из признаков необходимости завершения заряда. При собирании нескольких аккумуляторных элементов в батарею необходима система контроля параметров батареи (BMS), а также наличие терморазмыкающихся токопроводящих соединительных перемычек между частью аккумуляторных элементов. Также желательно соединять аккумуляторы в батарее путем точечной сварки перемычек, а не пайки. Разряд никель-металлгидридных аккумуляторов при низких температурах лимитируется тем фактом, что эта реакция эндотермическая и на отрицательном электроде образуется вода, разбавляющая электролит, что приводит к высокой вероятности замерзания электролита. Поэтому, чем меньше температура окружающей среды, тем меньше отдаваемая мощность и емкость аккумулятора. Напротив, при повышенной температуре в процессе разряда разрядная емкость никель-металлгидридного аккумулятора будет максимальной.
Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (рис. 17.5) (катодного материала на алюминиевой фольге 9 и анодного материала на медной фольге 11), разделённых пропитанными электролитом пористыми сепараторами, который предотвращает «самовольный» переход ионов лития между электродами. Наиболее распространённым электролитом является одномолярный раствор гексафторофосфата лития в смеси этиленкарбоната с диметилкарбонатом. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус имеет предохранительный клапан 6, сбрасывающий внутреннее давление при аварийных ситуациях и нарушении условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала.
Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например,: в графит с образованием LiC6, оксиды (LiMnO2) и соли (LiMnRON) металлов.
На аноде 4 (рис. 17.6) при подключении батареи в замкнутую цепь образуется химическая реакция, которая приводит к образованию свободных электронов. Указанные электроны при разряде, в случае подключения к цепи, стремятся попасть на катод 1, где меньше их концентрация. Однако от прямого пути к катоду от анода удерживает их электролит, который находится между электродами. Остается единственный путь – через цепь, куда замыкается батарея. При этом электроны, двигаясь по указанной цепи, питают устройство энергией. Положительно заряженные ионы лития 5, внутри аккумулятора, через электролит направляются к катоду, чтобы удовлетворить потребность в электронах на стороне катода (позиция 7 – разряд). После перемещения всех электронов к катоду аккумулятор разряжается. Но литий-ионный аккумулятор является перезаряжаемым, то есть процесс можно обратить вспять. При подаче на электроды зарядного напряжения (позиция 6) ионы лития 5 мигрируют из литийсодержащего катода 1 в анод 4, окисляя его.
В массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов:
- кобальтат лития LiCoO2 и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития
- литий-марганцевая шпинель LiMn2O4
- литий-феррофосфат LiFePO4.
Электрохимические схемы литий-ионных аккумуляторов:
- литий-кобальтовые LiCoO2 + 6C → Li1-xCoO2 + LiC6
- литий-ферро-фосфатные LiFePO4 + 6C → Li1-xFePO4 + LiC6
В настоящее время такие аккумуляторы устанавливаются на большинстве современных гибридных автомобилей и электромобилях.
При движении автомобиля высоковольтная батарея заряжается от тягового двигателя электропривода. В режиме движения бортовая сеть автомобиля (12 В) получает питание от высоковольтной батареи.
Рекуперация. В общем случае этот термин в технике означает способ возврата энергии. При рекуперации имеющаяся энергия одного вида преобразуется в другой, используемый в последующем вид энергии. Потенциальная химическая энергия топлива преобразуется в трансмиссии в кинетическую энергию. Если автомобиль затормаживается обычным тормозом, то избыточная кинетическая энергия посредством трения тормозных колодок превращается в тепловую энергию и возникающее при этом тепло бесполезно рассеивается в окружающем пространстве.
При использовании технологии гибридного привода и электромобиля, дополнительно к классическим 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 из энергии движения в электрическую энергию только такое количество энергии, которое требуется для работы АКБ бортовой сети (12 В).
Функция стоп-старт. В обычном автомобиле с системой стоп-старт, для отключения двигателя внутреннего сгорания 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. Двигатель внутреннего сгорания 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 двигатель внутреннего сгорания 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. Двигатель внутреннего сгорания 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.