Гибридные силовые установки

Содержание

1. Введение

2. Общий принцип работы гибридной силовой установки

3. История развития гибридных автомобилей

4. Устройство гибридной установки

5. Гибридная технология

6. Конфигурации силовых установок  в приводе гибридов

7. Преимущества

8. Недостатки

9. Toyota Prius

10. Ё-мобиль

11. Заключение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Сегодня экологический ущерб автотранспорта огромен и проявляется непосредственно  во многих явлениях: загрязнение почвы, воды, атмосферы, автотранспорт создает  шумовые и энергетические загрязнения. Все это ведет к значительному  ухудшению здоровья и сокращению жизни населения. Человечество губит  само себя!

Для того чтобы сохранить человечеству автомобиль необходимо если не исключить, то свести к минимуму вредные выбросы.

Улучшение градостроительства и оптимизация  городского движения транспорта взаимно увязаны и нацелены на лучшую планировку дорог и улиц, создание транспортных развязок, улучшение дорожного покрытия, контроль скоростного движения.

Альтернативный  транспорт — это электромобили, применение альтернативного топлива, строительство линий для скоростного трамвая, метро, автомотрисы и др.

Экономические инициативы — налог на автомобили, топливо, дороги, инициативы по обновлению автомобилей.

Работы  в этом направлении ведутся во всем мире и дают определенные результаты. Автомобили, выпускаемые в настоящее  время в промышленно развитых странах, выбрасывают вредных веществ  в 10—15 раз меньше, чем 10—15 лет тому назад. Во всех развитых странах происходит ужесточение нормативов на вредные  выбросы при работе двигателя. В 2000 г. введены более строгие нормы. Происходит не только количественное ужесточение норм, но и их качественное изменение.

Одним из перспективных направлений  являются гибриды – автомобили, использующие для привода ведущих  колес разнородную энергию. Чаще всего альтернативным источником энергии  для гибридов является аккумулятор. 
 
 
 

Общий принцип работы гибридной  силовой установки

Первоначально идея организации принципа «электрической коробки передач», то есть замены механической коробки передач на электрические  провода, была воплощена в железнодорожном  транспорте и большегрузных карьерных  самосвалах. Причина применения такой  схемы обусловлена огромными  сложностями механической передачи управляемого крутящего момента  на колеса мощного транспортного  средства. Суть принципа заключается  в том, что двигатель, работающий на обычном топливе, приводит в движение электрогенератор, и через систему  управления нужное количество электроэнергии передаётся на электродвигатели, приводя  в движение транспортное средство. Это похоже на электростанцию на электромобиле, вырабатывающую энергию для собственного движения. Суть схемы работы гибридного автомобиля аналогична, но значительно  модифицирована, в первую очередь  добавлением аккумуляторной батареи, только в отличие от электромобиля  менее ёмкой, а, следовательно, более лёгкой.

Основные  причины, стоящие за разработкой  гибридной силовой установки - уменьшение количества вредных выбросов в атмосферу, что очень актуально именно для  городского транспорта. Эта система  позволяет снизить выброс сажи и  углеводородов на 90%, оксидов азота - на 50%. При этом экономия топлива  достигает 60% по сравнению с обычными автобусами с дизельными двигателями, а ускорение во время начала движения увеличилось на 50%. Такая силовая  установка может устанавливаться  на различные автомобили, которые  выполняю самые разные задачи. Принцип  работы гибридной силовой установки  заключается в следующем: колеса приводятся в движение электродвигателем, который питается от АКБ, а дизельный  двигатель приводит в действие генератор, питающий аккумулятор. К тому же дизель соединен с трансмиссией, и часть  своей мощности передает на колеса. Благодаря этому во время начала движения достигается максимальное ускорение без лишнего шума, затрат топлива и клубов дыма из выхлопной  трубы. 

История развития гибридных  автомобилей 

История новомодного гибридного автомобильного привода развивалась по спирали  и стала подтверждением известной  поговорки: «все новое — это хорошо забытое старое».

А началось все в далеком 1900 году, когда  и бензиновый-то мотор ходил под  стол в коротких штанишках. Собственно, эта его незрелость и подвигла молодого инженера Фердинанда Порше  искать новые пути. Тогда, кстати, полным ходом шла дуэль двигателя  внутреннего сгорания (ДВС) и электромотора. И электромобили не только были куда более распространены, чем сегодня, но ставили впечатляющие рекорды  скорости. Главной причиной начала производства легковых гибридов был рыночный спрос на подобные автомобили, вызванный высокими ценами на нефть и постоянным повышением требований к экологичности автомобилей. При этом совершенствование технологий и налоговые льготы производителям гибридов делает эти автомобили в некоторых случаях даже дешевле обычных. В некоторых странах владельцы гибридов освобождаются от уплаты дорожного налога и не платят за муниципальные парковки. Одно плохо: уж больно тяжелы были аккумуляторы, долго заряжались, коротко ездили, да еще тогдашние шины-пневматики не выдерживали такого веса и постоянно лопались.

Поэтому нужно было искать компромиссы и  устранять недостатки. И таким  компромиссом стала разработка гибридомобиля.

И вот будущий «доктор Порше» (гениальный конструктор не имел высшего образования  и удостоился звания профессора и  почетного доктора технических  наук в Венском техническом университете за разработку военной техники в  годы первой мировой войны) задумал  заставить оба типа привода не воевать, а компенсировать недостатки друг друга. В его поразившем публику концепт-каре фирмы LohnerPorsche, носившем гордое и, как оказалось, пророческое имя собственное Semper Vivus («вечно живой»), два одноцилиндровых двигателя De Dion-Bouton вращали не колеса, а роторы электрогенераторов. Те заряжали аккумуляторы, ток от которых, в свою очередь, питал два электромотора, встроенные в передние (!) колеса.

Так появился на свет первый в мире переднеприводный автомобиль с гибридной силовой  установкой и мотор-колесами. В нем  не было трансмиссии, всех этих карданов, коробки передач с воющими  шестеренками, капризного сцепления. И  опережение зажигания не нужно было постоянно подстраивать: двигатели  все время работали в одном, оптимальном  режиме. Такая электротрансмиссия показала небывалый для того времени КПД — 83%!

Собственно  говоря, для гибрида авто- и электромобиля  наемный шофер-профи был вовсе  не нужен. Ведь даже завести двигатели  было проще простого: никакой рукоятки, просто генераторы переключались в  режим стартера, нажатие кнопки —  и вот уже раздается бодрое тарахтение. Все, можно ехать.

Движением управлял рычаг справа от водителя: по мере разгона его переводили из нейтрального в первое, второе и, наконец, третье положение. А послушные реле в контроллере под сиденьем, весело щелкая, переключали силу тока в электромоторах. Но были у рычага и еще два положения: задний ход (для него достаточно было просто поменять полярность) и… торможение! Да, молодой изобретатель уже тогда реализовал торможение электродвигателем, которое применяется в гибридах и сегодня. Кроме этого электротормоза на задних колесах были механические тормоза с кожаными накладками (похожие стоят сегодня на велосипедах). И это делало Semper Vivus первым в мире автомобилем с тормозами на всех четырех колесах. Придумал Порше и «ручник»: при стоянке на уклоне задние колеса намертво блокировались выдвижным штифтом. На Всемирной выставке в Париже Semper Vivus произвел фурор. Газеты восторженно писали: «Автомобиль не заносит в крутых поворотах и на скользкой дороге, разве что на короткое время. Совсем как при конной тяге…» Да, тогда автомобиль вовсе не мог служить образцом устойчивости!

И все-таки гениальная конструкция на столетие обогнала время. Автомобиль на долгие годы победил гибрид не в  технической, а в экономической  гонке. Уж слишком дорогим удовольствием  было (да и сегодня еще остается) совмещение двух типов привода в  одном авто.

В Советском Союзе также велись работы по разработке гибридных автомобилей. Так, работы советского ученого Нурбея Гулиа привели к созданию прототипа гибридного автомобиля на базе автомобиля-грузовика УАЗ-450, где накопителем энергии являлся маховик, трансмиссией — особый вариатор. Это был один из первых «гибридов». В 1966 году удалось достичь экономии топлива до 50 %.

В Курске в 1972-73 годах Н. В. Гулиа были проведены испытания городских автобусов с маховичными гибридными агрегатами и вариаторами. Кроме того были построены и испытаны гибридные силовые агрегаты для автобусов на основе гидропривода. В последних роль накопителя энергии играли баллоны со сжатым азотом и маслом. Несмотря на различные принципы действия этих «гибридов» эффективность их оказалась близкой друг к другу — расход топлива снижался примерно вдвое, а токсичность выхлопа — в несколько раз. Но данные технологии советская автомобильная промышленность не начала использовать.

В США гибридные автомобили начал  разрабатывать Виктор Воук в 60-е — 70-е годы.

В 1980 году компания Volvo проводила эксперименты с маховиком, разгоняемым дизельным двигателем и используемым для рекуперации тормозной энергии. Впоследствии от этого проекта отказались в пользу гидравлических аккумуляторов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Устройство  гибридной установки

Гибридная силовая установка сочетает в  себе современный двигатель внутреннего  сгорания, технологически совмещенный  с электромоторами. Весь комплекс управляется  электронной системой, и, конечно же, все компоненты отличаются высочайшим качеством. Гибридная силовая установка управляет расходом энергии в зависимости от условий движения автомобиля.

Схема гибридной установки состоит  из следующих элементов:

1. Бензиновый двигатель

2. Гибридная трансмиссия

Делитель  мощности в гибридной трансмиссии  направляет поток мощности туда, где  она больше всего нужна. Обеспечивая  максимально экономное расходование энергии, он не только направляет всю  необходимую мощность, но и управляет  совместной работой бензинового  и электрического двигателей. Бесступенчатая трансмиссия мгновенно откликается, когда водителю нужна большая  мощность.

3. Генератор

Усовершенствованный электромотор-генератор, соединенный  с бензиновым двигателем, обеспечивает исключительно плавный разгон, когда  вы нажимаете на педаль газа до упора. Высоковольтный электромотор гибридной  силовой установки представляет собой сложную и одновременно компактную комбинацию электромотора  и электрогенератора.

4. Электрический двигатель задних  колес

5. Блок управления силовой системой

6. Электрических двигатель на передних колесах

7. Батарея высокого напряжения 

Гибридная технология

Начало  движения

Для начала движения и при движении на малых скоростях используется только электромотор. 
 
1. При наборе скорости батарея направляет свою энергию на блок управления электропитанием. 
 
2. Блок управления направляет энергию на электромоторы, расположенные в передней и задней частях автомобиля. 
 
3. Передний и задний электромоторы позволяют автомобилю плавно трогаться с места. 
 
Движение 
 
При движении автомобиля в нормальном режиме привод колес осуществляется за счет бензинового двигателя и электромоторов; энергия двигателя распределяется между колесами и электрическим генератором, который в свою очередь приводит в движение электромоторы. Генератор также осуществляет зарядку батареи, отдавая ему излишки энергии. 
 
Разгон 
 
1. Бензиновый двигатель разгоняет автомобиль, работая в нормальном режиме. 
 
2. Для улучшения динамики дополнительная энергия поступает от электромотора. 
 
3. При работе в нормальном режиме бензиновый двигатель также снабжает энергией генератор. 
 
4. Генератор может направлять излишки энергии на блок управления электропитанием. 
 
Торможение 
 
1. При торможении кинетическая энергия преобразуется в электричество. 
 
2. Электромоторы направляют его на блок управления электропитанием. 
 
3. Блок управления электропитанием возвращает энергию на высоковольтную батарею. Бензиновый двигатель автомобиля работает в обычном режиме.

Остановка 
 
При остановке двигатель автоматически выключается для экономии топлива и обеспечения максимальной эффективности.

Задачи  гибридной силовой  установки

1. Обеспечение высоких эксплуатационных  характеристик и набора скорости  за счет мгновенной подачи  энергии.

2. Сохранение энергии при торможении: часть энергии преобразуется  в электричество, остальное –  в тепловую энергию (в сравнении  с обычным автомобилем, у которого  на "тепло" уходят все 100%).

3. Обеспечение автомобиля самой  современной системой управления  расходом энергии.

4. Снижение массы и размеров  компонентов.  
 
 
 
 
 
 
 
 

Устройство  распределения электроэнергии

Сердцем устройства распределения энергии  является компактный механизм планетарной  передачи. Этот планетарный механизм управляет процессом взаимодействия бензинового двигателя, электромотора  и генератора. Механизм планетарной  передачи объединяет двигатель, электрогенератор и электромотор. Все это снижает  потери на трение и обеспечивает более  тихую работу, а также более  длительный срок службы автомобиля.

Энергетический  центр

Гибридный "энергетический центр" является уникальной системой, которая создает  и управляет запасом электрической  энергии, хранящейся в высокотехнологичной  батарее. Процесс производства и  управления расходом электроэнергии интегрирован в батарее. Ключевыми компонентами энергетического центра являются: 
 
– мощная высокопроизводительная батарея; 
– блок управления энергией; 
– полупроводниковое коммутационное устройство; 
– регенеративная тормозная система. 

Мощная  батарея

Для обеспечения энергией электромоторов и электрических систем автомобиля гибридная силовая установка  использует в своей работе высокопроизводительную батарею.

Блок  управления энергией и полупроводниковое  устройство переключения

Блок  управления энергией и полупроводниковое  устройство переключения применяются  для управления потоком энергии  между генератором, батареей и электромотором. В то время как генератор и  электромотор являются устройствами переменного  тока, батарея представляет собой  устройство постоянного тока. Кроме  того, выходное напряжение батареи  не соответствует выходному напряжению генератора, а также величине входного напряжения электромотора. Поэтому  эти устройства осуществляют преобразование электроэнергии согласно потребностям системы.

Регенеративная  тормозная система

При торможении генератор используется для замедления движения автомобиля. При этом он вырабатывает электроэнергию, которая хранится в батареях. В  традиционных системах энергия, которая  используется для торможения, теряется полностью. В отличие от них данная система особо эффективна при  езде в городских условиях, где  часто чередуются разгон и торможение. Без наличия традиционной коробки  передач в системе образуется намного меньше трения, поэтому большее  количество кинетической энергии может  быть сохранено в виде электрической  энергии.

Инвертор

Инвертор  представляет собой устройство, которое  преобразует постоянный ток от аккумулятора в переменный. При преобразовании постоянного тока в переменный он может быть использован для питания электромотора. В гибридной силовой установке автомобиля предусмотрена высоковольтная схема преобразования одного постоянного тока в другой, также постоянный ток. Поскольку она повышает напряжение, происходит равномерный рост электрической мощности при том же уровне тока, результатом чего является более высокая производительность и повышенный крутящий момент привода электромотора.

Система интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM)

Во  взаимодействии с новой гибридной  силовой установкой улучшение качества управления автомобилем достигается  еще и за счет модифицированной подвески, специальной электронной системы  управления и самой современной  системы контроля устойчивости автомобиля и системы интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM). До сегодняшнего дня такие системы активной безопасности, как антиблокировочная система  тормозов (АВS), антипробуксовочная система (TRC), система курсовой устойчивости (VCS) и электроусилитель руля (ЕРS), имели тенденцию развиваться отдельно друг от друга, даже если они были установлены в одном и том же автомобиле. По существу их успешная совместная деятельность была ограничена, а оптимальная работоспособность не реализована. Система интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM) была разработана с целью объединения этих различных систем, что существенно улучшило безопасность и характеристики автомобиля. Более того, поскольку обычные системы безопасности активируются сразу после того, как был достигнут предел технических возможностей автомобиля, VDIM активизируется еще задолго до наступления этого момента. 
 
В результате расширяются рамки работы систем активной безопасности, и за счет этого обеспечивается более мягкое и предсказуемое поведение автомобиля, так как эти системы действуют точнее, более мягко и гибко. Располагая полной информацией о текущем состоянии, получаемой с датчиков, расположенных по всему автомобилю, VDIM не только объединяет функции систем АВS, ТRC, VSC и ЕВD с электроусилителем рулевого управления, но и управляет гибридной силовой установкой и системой полного привода. Используя объединенный контроль над всеми элементами, отвечающими за движение автомобиля, включая крутящий момент, тормозное усилие и рулевое управление, VDIM не только оптимизирует работу тормозной системы, системы курсовой устойчивости и антипробуксовочной системы, но и улучшает основные динамические характеристики автомобиля. Новая система управления динамикой не столь "навязчива", как обычные системы контроля устойчивости, но при этом намного более эффективна. С помощью высокоскоростной технологии управления двигателем, тормозами и трансмиссией система управления динамикой контролирует гибридную силовую установку, полный привод на все колеса и систему торможения, одновременно управляя моментом переднего и заднего электромоторов в соответствии с условиями движения, а также стабилизирует поведение автомобиля на дорожном покрытии с низким коэффициентом сцепления. За счет всего этого достигается безопасное и комфортное управление автомобилем 
 
 
 
 
 
 

Конфигурации  силовых установок  в приводе гибридов

Основные  преимущества применения гибридного привода  заложены в больших возможностях при достижении требуемых технических  характеристик.

В параллельном гибриде (англ. parallel hybrid) приводить в действие автомобиль могут как двигатель внутреннего сгорания (ДВС) так и электродвигатель, есть также режимы движения, когда два двигателя совместно передают необходимый крутящий момент на колёса. Чаще всего в такой схеме ДВС, электродвигатель и коробка передач соединены автоматически управляемыми муфтами. Параллельные гибриды эффективны на шоссе, но малоэффективны в городе. Несмотря на простоту реализации этой схемы, она не позволяет значительно улучшить как экологические параметры, так и эффективность использования ДВС.

Приверженцем такой схемы гибридов является компания Honda. Их гибридная система получила название Integrated Motor Assist. Она предусматривает, прежде всего, создание бензинового двигателя с увеличенным к.п.д. И только тогда, когда двигателю становится трудно, на помощь ему должен приходить электрический мотор. В этом случае система не требует сложного и дорогостоящего силового блока управления, и, следовательно, себестоимость такого автомобиля оказывается ниже. Система IMA состоит из бензинового двигателя (который предоставляет основной ресурс мощности), электромотора, который предоставляет дополнительную мощность и дополнительной батареи для электромотора. Когда автомобиль с обычным бензиновым двигателем замедляется, его кинетическая энергия гасится сопротивлением мотора (торможение двигателем) или рассеивается в виде тепла при нагреве тормозных дисков и барабанов. Автомобиль с системой IMA начинает тормозить электромотором. Таким образом, электромотор работает как генератор, вырабатывая электричество. Сохранённая при торможении энергия запасается в батарее. И когда автомобиль вновь начнёт ускоряться, батарея отдаст всю накопленную энергию на раскрутку электромотора, который снова перейдёт на свои тяговые функции. А расход бензина уменьшится ровно настолько, сколько энергии было запасено при предыдущих торможениях. В общем, в компании Honda считают, что гибридная система должна быть максимально простой, электрический мотор выполняет лишь одну функцию — помогает двигателю внутреннего сгорания сэкономить как можно больше горючего. Honda выпускает две гибридные модели: Insight и Civic.

Мягкий параллельный гибрид (англ. mild parallel hybrid). Автомобили с этой схемой могут тронуться с места только с помощью ДВС и используют электродвигатель, прежде всего, когда ДВС требуется дополнительная мощность. Как правило, это компактный электродвигатель с мощностью не больше 20 кВт. В его функции входит обеспечение режима auto-stop/start (автоматическое выключение ДВС и возможность быстрого запуска) во время движения накатом, торможении или остановки. Также электромотор используется для режима рекуперативного торможения. 

В последовательном гибриде (англ. series hybrid) ДВС вращает генератор, который заряжает батареи и приводит в действие электромотор с передачей крутящего момента в трансмиссию. Таким образом, у ДВС в этой схеме нет механической связи с колёсами. Вся его работа направлена на преобразование механической энергии в электрическую. Такой механизм уже долгое время используется на дизель-электрических локомотивах, карьерных самосвалах, морских судах. Фердинанд Порше использовал эту установку в начале XX века в гоночных автомобилях. Наиболее эффективна последовательная схема при движении в режиме частых остановок, торможений и ускорений, движении на низкой скорости, т.е. в городе. Поэтому используют ее в городских автобусах и других видах городского транспорта. По такому принципу работают также большие карьерные самосвалы, где необходимо передать большой крутящий момент на колеса, и не требуются высокие скорости движения. 
 
 
 

Последовательно-параллельная схема (англ. series-parallel hybrid) распределяет мощность тяги между двумя двигателями через планетарный делитель мощности в зависимости от режимов движения. Привод автомобиля на низких скоростях, а также при остановке, происходит только от электродвигателя. Электродвигатель в данной схеме работает только для привода колёс и в режиме рекуперации. Классические представители этого семейства — хэтчбек Toyota Prius и Lexus с индексом h, оснащённые фирменным «синергетическим» приводом HSD

(Hybrid Synergy Drive). 

Подключаемый гибрид (англ. plug-in hybrid) имеет розетку для подзарядки батарей от внешней электросети. Движение начинается на аккумуляторных батареях, после разрядки которых, включается маломощный ДВС и автомобиль превращается в обычный гибрид. Концепция plug-in hybrid является привлекательной для тех, кто стремится повысить экологичность своего автомобиля на дороге и минимизировать использование ДВС.