Гибридные двигатели в автомобилестроении

– трансмиссия. Передаёт крутящий момент на колёса.

Гибридизация по-тойотовски

Toyota лидирует по количеству гибридов и активно выпускает эти автомобили с 1997 года, причём в модификациях как обычных автомобилей серии Prius, паркетных внедорожников серии Lexus RX400h, так и автомобилей люкс-класса – Lexus LS 600h.

В августе 2009 года суммарное производство автомобилей Prius пр

евысило 2 миллиона экземпляров. За четыре года было произведено около 150 тысяч гибридных кроссоверов. Доля версии 400h в общем объеме продаж машины достигла 69 процентов, а по Западной Европе этот показатель еще выше: 95%! Технологию гибридного привода Toyota Hybrid Synergy Drive лицензировали Ford (Escape Hybrid), Nissan (Altima Hybrid).

Рассмотрим принцип работы гибридного автомобиля на примере последовательно – параллельной гибридной силовой установки Hybrid Synergy Drive, которую устанавливает на свои автомобили компания Toyota. Термин «синергия» означает совместное действие нескольких компонентов. В силовой установке Hybrid Synergy Drive сочетаются бензиновый двигатель – и два электромотора. Вернее, их три, но о третьем, который обеспечивает задний привод, пока забудем. Бензиновый двигатель – это V-образная шестёрка, объемом 3,3 л, мощностью 150 кВт. Два электромотора, которые располагаются в передней и задней частях и приводят в движение, соответственно колёса переднего и заднего мостов, имеют суммарную мощность 200 кВт и рабочее напряжение 650В. Высоковольтная аккумуляторная батарея, которая питает оба электромотора и запасает энергию при рекуперативном торможении, также является неотъемлемой частью системы.

Устройство распределения энергии – это связующее звено между ДВС, электромоторами и генератором. В данном случае его роль играет компактная планетарная передача, обладающая малой массой и меньшим количеством движущихся частей, в сравнении с 5-ти или 6-ти ступенчатыми АКПП автомобилей премиум – класса, что в свою очередь, ведёт к повышению надёжности и увеличению срока службы этого узла.

Энергетический центр, управляющий созданием и распределением запасов энергии, состоит из высоковольтной никельметаллгидридной аккумуляторной батареи, блока управления энергией, полупроводникового коммутационного устройства и рекуперативной тормозной системы. Блок управления энергией и полупроводниковое устройство переключения управляют потоком энергии между генератором, батареей и электромоторами. Данные устройства осуществляют преобразование электроэнергии в соответствии с потребностями системы. Потребность в преобразовании продиктована следующими причинами: генератор и электромоторы – машины переменного тока, в то время как аккумуляторная батарея оперирует постоянным током, кроме того, выходное напряжение батареи не соответствует выходному напряжению генератора, а также входному напряжению электромоторов. Инвертор – блок, преобразующий постоянный ток, поступающий от аккумуляторной батареи, в переменный, используемый для питания электромоторов. В данной гибридной силовой установке предусмотрена высоковольтная схема преобразования постоянного тока одного напряжения в постоянный ток более высокого напряжения. При этом происходит равномерный рост электрической мощности при той же величине силы тока.

При рекуперативном торможении система переводит моторы в генераторный режим. Вырабатываемая при этом энергия поступает на хранение в аккумуляторную батарею. Особо эффективно сохраняет энергию при езде в городских условиях режим «старт – стоп», который позволяет автоматически глушить двигатель при остановках или даже во время замедления.

Для начала движения и на малых скоростях используется только электромотор. При плавном наборе скорости энергия, запасенная в батарее, поступает на блок управления электропитанием, который, в свою очередь, направляет энергию на электромоторы, что позволяет автомобилю плавно трогаться с места.

При движении в нормальном режиме момент на ведущие колёса поступает с ДВС и электромоторов. При необходимости генератор осуществляет заряд батареи, отдавая ей излишки энергии.

В целях обеспечения максимальной эффективности распределение энергии контролируется электронным блоком управления.

При разгоне бензиновый двигатель работает в нормальном режиме, а при необходимости, дополнительная энергия для улучшения динамики поступает от электромоторов.

Для оптимизации количества сохраняемой энергии, электроника принимает решение о том, когда следует использовать гидравлическую систему торможения, а когда – рекуперативное торможение.

Хотелось бы отдельно сказать несколько слов о высоковольтной аккумуляторной батарее. Компания Toyota уже долгое время использует никельметаллгидридные батареи, которые переносят низкие температуры без заметного снижения рабочих характеристик. Японцы проводили испытания при температуре около минус 30, и автомобиль заводился и нормально работал. Срок службы батареи – такой же, как и у всего автомобиля, 300–350 тысяч километров.

Первый серийный гибридный «Мерседес»

Это «Мерседес» S400 BlueHybrid, в котором 279 – сильному двигателю помогает электромотор, мощностью 15 кВт (20 л.с.). Конструкция гибрида проста – в маховик автомобиля встроен электрический мотор-генератор, отдающий ток аккумуляторной батарее при торможении и «подрабатывающий» тяговым двигателем при разгоне. И все. Никаких сцеплений, как у Infiniti или Porsche, уже не говоря про хитроумную планетарную схему тойотовского гибридного привода. Соответственно, Mercedes S 400 BlueHybrid не может бесшумно ехать на «чистой» электротяге, вообще не загрязняя воздух. Но мерседесовцы указывают на достоинства своей схемы. Расход топлива в смешанном цикле составляет до 7,9 литра на 100 км – это на 2,2 литра меньше, чем у бензинового Мерседеса S 350. Выбросы СО сокращаются на 21% – до рекордных в классе 190 г./км. Для сравнения: гибридный Lexus LS 600h выбрасывает 219 граммов углекислоты на километр пробега, но при этом суммарная мощность силовой установки с пятилитровым мотором V8 у него на 146 л.с. выше. Ещё один плюс этой конструкции – компактность и малая масса «гибридных» узлов. Кузов не потребовал доработок, салон и багажник остались нетронутыми. Прибавка в весе составила всего 75 килограммов. А гибридный Lexus стал тяжелее обычного бензинового на 200 кг. Обойтись «малой кровью» удалось благодаря применению маленькой литий-ионной батареи объемом всего 13 литров, вставшей на место обычного аккумулятора под капотом. Батарею, равно как и все остальные компоненты гибридного привода, поставляет концерн Continental – причем не только на Daimler, но и на BMW: точно такая же механика будет и у гибридной «семерки» BMW.

Литий-ионные батареи привлекают инженеров давно. Но «хочется, да колется» – компактные и эффективные батареи… взрывоопасны. Велика вероятность неконтролируемой «разгонной» реакции, когда перегрев провоцирует резкое ускорение химической активности, в свою очередь вызывающее выделение тепла и лавинообразный эффект. Немецкая батарея состоит из 35 аккумуляторов цилиндрической формы, хотя, например, Nissan уверяет, что более эффективны плоские «конвертные» ячейки. От взрыва батарею предохраняют система охлаждения, поддерживающая температуру от 15 до 35 градусов, и электронная система управления и диагностики, питающаяся от маленького резервного 12-вольтового аккумулятора в багажнике. А если все же рванет? Тогда поможет корпус, сделанный с помощью лазерной сварки из высокопрочной стали, – он призван защитить батарею и от разрушения при аварии. Есть у литий-ионной батареи еще один коварный недостаток. После разрядки «в ноль» ее придется выбросить – между тем как никельметаллгидридные аккумуляторы, которые используются на нынешних гибридомобилях Toyota, Lexus и Honda, после «опустошения» восстанавливаются полностью. Хорошо, что темп саморазряда у литий-ионных аккумуляторов невелик – по 5 процентов в месяц. На ходу Mercedes S 400 BlueHybrid ничем особенным не выделяется. Двигатель запускается, лишь при отпускании педали тормоза, – это работает система «старт-стоп». Маленький аккумулятор используется «по полной». Да и заряжается быстро – на спусках, длиной 3–4 километра запас электроэнергии пополняется с минимально допустимых 30 процентов до максимальных 90 с лишним. А стоит коснуться тормоза – и заряд растет прямо на глазах. Плавное торможение с замедлением до 0,2 g обеспечивает только генератор, причем от режима «автомата» эффективность рекуперации не зависит. По данным компании Continental, в реальной жизни четыре из пяти торможений производятся с замедлением не более 0,3 g – так что помимо получения дармовой рекуперированной энергии можно здорово сэкономить и на износе тормозов. А они срабатывают только при большем нажатии на педаль. Правда, тормоза у S-класса традиционные, а не электрогидравлические, как на гибридных седанах Lexus, и для гибрида мерседесовцам пришлось конструировать оригинальный педальный узел. Перед полной остановкой, как только скорость падает ниже 15 км/ч, двигатель для экономии топлива глушится – значит, останавливается и мотор-генератор. Снова он заведется, как только водитель снимет ногу с педали тормоза. Запуск от 15-киловаттного электромотора, раскручивающего мотор сразу до 500–600 об/мин происходит быстрее, чем от обычного 12-вольтового стартера мощностью 1–1,5 кВт. Правда, в самых медленных пробках система «старт-стоп» не работает: электроника допускает только четыре цикла «старт-стоп» подряд. Не глушится двигатель и при прогреве, на морозе (если температура в системе охлаждения упала ниже 60 градусов), при заряде батареи менее 30 процентов и в парковочных режимах после включения заднего хода. Мерседесовцы уверяют, что уже в этом поколении S-класса появится дизельная гибридная установка, но проблема более шумного и вибронагруженного перезапуска дизельного двигателя пока не решена – дело даже не дошло до ходовых испытаний. Новые гибридные модели немцы обещают показывать не реже, чем раз в год. Причем следующим будет двухрежимный «полный» гибрид на базе внедорожника М-класса с планетарной трансмиссией по образцу тойотовской! Японских патентов мерседесовцы не покупали – они уверяют, что усовершенствовали непревзойденную на сегодняшний день тойотовской схему: в частности, избавились от больших потерь при высоких оборотах, вызванных тем, что электродвигатель и мотор-генератор вращаются постоянно. Мощность электротяги гибридного М-класса – около 50 кВт, тяговая батарея разместится в багажнике. Причем она будет никельметаллгидридной. Видимо, пока не удается решить проблемы с охлаждением большой литий-ионной батареи. Кстати, «кондиционер» для никельметаллгидридного аккумулятора гибрида Lexus LS 600h потребляет столько энергии, что в некоторых режимах сводит на нет эффективность всей гибридной установки!

 Скачать реферат