Гибридные силовые установки

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.