Гибридный электромобиль (HEV) — это транспортное средство, которое использует два источника энергии для движения, одним из которых является электрическая энергия. В большинстве транспортных средств с гибридной трансмиссией используют двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в сочетании с электрической машиной (ЭМ).
По сравнению с обычным автомобилем, оснащенным ДВС, гибридный электромобиль способен выполнять следующие функции:
- более быстрое ускорение и торможение
- рекуперация энергии при торможении (рекуперативное торможение)
- усиление крутящего момента
- режим электрического вождения
- движение накатом (необязательно)
В этой статье мы сосредоточимся на различных типах (архитектурах) трансмиссии гибридных автомобилей, выделив принцип работы и преимущества / недостатки по сравнению с другими типами.
Параллельный гибридный силовой агрегат с двумя сцеплениями
В параллельной гибридной трансмиссии и двигатель внутреннего сгорания, и электродвигатель могут передавать крутящий момент на ведущее колесо одновременно или раздельно (работает или ДВС или электрическая машина). Для автомобиля с задним приводом (RWD) общая архитектура гибридной трансмиссии использует электрическую машину между двумя сцеплениями.
Где: ICE — двигатель внутреннего сгорания, EM — электродвигатель, TRN — трансмиссия, PE — силовая электроника
Первое сцепление между двигателем и электродвигателем позволяет отсоединить двигатель внутреннего сгорания от трансмиссии и двигаться в чисто электрическом режиме. Кроме того, во время фаз замедления, отключив двигатель, мы можем устранить его тормозной эффект и получить более высокую эффективность рекуперации кинетической энергии.
Второе сцепление позволяет отключить электрическую машину от трансмиссии и позволить транспортному средству двигаться по инерции во время замедления. С точки зрения реализации второе сцепление является частью трансмиссии, а не отдельным элементом.
Состояния сцепления во время каждого режима гибридной трансмиссии приведены в таблице ниже.
| Режим | Сцепление до подключения электродвигателя | Сцепление после подключения электродвигателя |
| Остановка и запуск двигателя | Разомкнуто | Разомкнуто / замкнуто |
| Рекуперация энергии | Разомкнуто | Замкнуто |
| Контроль крутящего момента | Замкнуто | Замкнуто |
| Электрическое вождение | Разомкнуто | Замкнуто |
| Накат | Разомкнуто | Разомкнуто |
| Зарядка в состоянии покоя | Замкнуто | Разомкнуто |
Есть несколько OEM-производителей, которые используют гибридную архитектуру трансмиссии для своих автомобилей. Одним из примеров является Nissan с двумя вариантами:
- Гибридная система автомобиля с двигателем впереди и передним приводом (FF HEV)
- Гибридная система автомобиля с двигателем впереди и задним приводом (FR HEV)
В системе FF HEV используется двигатель внутреннего сгорания вместе с электрической машиной и бесступенчатой трансмиссией (CVT) на передней оси.
Гибридная система улучшает ходовые качества и расход топлива за счет использования электродвигателя для рекуперации энергии во время замедления и сохранения ее в высоковольтной батарее, а также поддержки двигателя внутреннего сгорания за счет использования энергии батареи для питания тягового электропривода автомобиля для низкоскоростного движения и ускорения электромобиля. Кроме того, расход электроэнергии увеличивается за счет использования батареи для питания электронных компонентов автомобиля, когда автомобиль припаркован. Поскольку ДВС может быть отключен от трансмиссии, когда это необходимо, энергия аккумуляторной батареи может быть использована более оптимально, а при торможении двигатель внутреннего сгорания не будет создавать дополнительный тормозной момент, что позволит запасать больше энергии в батарею при рекуперативном торможении электродвигателем.
В системе используется «умное» двойное сцепление, объединяющее один двигатель и два сцепления для создания гибридной системы с передним приводом, которая является легкой и компактной. Сцепление 1 установлено между двигателем и электродвигателем, а сцепление 2 установлено между двигателем и вариатором. Использование двигателя или электрической машины можно дифференцировать в зависимости от обстоятельств, выбрав «включено» или «выключено» для сцепления 1, что обеспечивает эффективное вождение.
Сцепление и двигатель гибридной системы спроектированы так, чтобы поместиться в ограниченном пространстве для преобразователя крутящего момента, используемого в автомобилях с двигателями CVT. Соответственно, никакого специального шасси не требуется, и его можно использовать в различных моделях. Его также можно легко применить к полноприводным автомобилям и подключаемым гибридам. Литий-ионный аккумулятор с высокой выходной мощностью, разработанный специально для гибридов, с отличными показателями зарядки и разрядки, был принят как главный аккумулятор автомобиля.
В автомобиле FR HEV гибридная система с одним двигателем и двумя сцеплениями может при необходимости отделять двигатель от трансмиссии. Он может использовать двигатель и электродвигатель в качестве источников энергии, от работы только на электромоторе до использования обеих моторов для полного разгона, обеспечивая более эффективный привод в зависимости от ситуации. Во время рекуперации и вождения в электрическом режиме двигатель полностью отсоединен от трансмиссии, что приводит к нулевым потерям на трение.
Компания Nissan заменила преобразователь крутящего момента существующей 7-ступенчатой автоматической коробкой передач на электродвигатель и два сцепления в компактной конфигурации. Использование одномоторной системы для привода колес и рекуперации электроэнергии позволяет уменьшить количество деталей и вес.
Два сцепления механически передают энергию двигателю и электродвигателю. Будучи эффективной и с небольшими потерями энергии по сравнению с обычным преобразователем крутящего момента, система также обладает интуитивно понятным и быстрым ускорением. Благодаря интегрированному управлению этой системой и трансмиссией с использованием высокоуровневой технологии управления создается тяговый привод, который реагирует на ряд условий движения.
Литий-ионный аккумулятор гибридного автомобиля может выдавать большие токи за короткое время. Таким образом, увеличивается частота вращения двигателя, и появляется возможность часто рекуперировать энергию торможения. Возможность эффективно использовать электроэнергию означает, что потребление бензина снижается и, соответственно, способствует увеличению пробега.
Параллельный гибридный силовой агрегат с трансмиссией с двойным сцеплением
В некоторых транспортных средствах, особенно с расположением двигателя внутреннего сгорания спереди и передним приводом, «упаковка» компонентов имеет решающее значение из-за нехватки места. Установка сцепления между двигателем и электрической машиной, вероятно, невозможна, так как для этого потребуется дополнительное пространство, которого нет.
В этом случае желательно использовать существующее решение трансмиссии и сделать его гибридным. Одним из решений является использование коробки передач с двойным сцеплением (DCT) и установка электрической машины на одном из входных валов после сцепления.
В этой архитектуре электрическая машина интегрирована в блок трансмиссии на нечетной или четной передаче. Благодаря двум входным валам и выходным валам для нечетной и четной передач входной крутящий момент двигателя внутреннего сгорания может передаваться на выход по механическому пути, отличному от пути крутящего момента электрической машины. Крутящие моменты суммируются на кольцевой шестерне, соединенной с дифференциалом.
Компания Getrag преобразовала одну из своих собственных 7-ступенчатых коробок передач с двойным сцеплением 7DCT300 в гибридную трансмиссию, установив электрическую машину на валу четных шестерен. Передне-поперечная трансмиссия 7DCT300 имеет семь передач переднего хода и одну передачу заднего хода. Передачи с четными (2, 4, 6, R) и нечетными номерами (1, 3, 5, 7) разделены на две суб-передачи. Двигатель и две частичные трансмиссии соединены посредством двойного мокрого сцепления.
В результате 7HDT300 представляет собой гибкую гибридную трансмиссию, которую можно интегрировать в легкие (mild), полные (full) и подключаемые (плагин или на языке оригинала plug-in) гибридные электромобили. Полностью гибридный вариант трансмиссии включает в себя электрическую машину мощностью 40 кВт, которая позволяет электромобилю развивать скорость до 50-60 км / ч (в зависимости от применения).
Данное решение позволяет отключать двигатель путем размыкания обоих сцеплений и вождения в режиме электромобиля. Отсоединение электрической машины от остальной трансмиссии также возможно путем отключения синхронизаторов передач в трансмиссии.
Состояния сцеплений во время каждого режима гибридной трансмиссии DCT приведены в таблице ниже.
| Режим | Состояние нечетных передач сцепления | Состояние четных передач сцепления |
| Остановка и запуск двигателя | Разомкнуто | Разомкнуто |
| Рекуперация энергии | Разомкнуто | Разомкнуто |
| Управление крутящим моментом | Разомкнуто / замкнуто | Разомкнуто / замкнуто |
| Электрическое вождение | Разомкнуто | Разомкнуто |
| Накат | Разомкнуто | Разомкнуто |
| Зарядка в состоянии покоя | Разомкнуто | Замкнуто |
Основным преимуществом этого решения является то, что электрическая машина не требует дополнительного места для установки в корпусе трансмиссии, что обеспечивает высокую гибкость для интеграции в автомобиль. Данная гибридная архитектура может обеспечивать разные уровни мощности для электрической машины (15–110 кВт), работающей на разных уровнях напряжения (48–360 В). По этой причине может быть легко интегрирована в различные типы гибридных автомобилей, от мягких гибридов до полных и подключаемых гибридов.
Параллельная гибридная трансмиссия с разделенным мостом
Другой тип параллельного гибридного электромобиля — это гибрид с разделенной осью (приводом). В этой архитектуре одна ось (обычно передняя) приводится в движение двигателем внутреннего сгорания и коробкой передач, а вторая ось приводится в движение электродвигателем и редуктором с фиксированным передаточным числом.
Для этого решения требуется автоматическая коробка передач на передней оси, которая сделает возможным отключение двигателя во время движения электромобиля. Преимущество этого решения состоит в том, что автомобиль имеет полный привод до тех пор, пока аккумулятор не разряжен.
По сравнению с предыдущими параллельными гибридными решениями, гибрид с разделенной осью не может заряжать аккумулятор, когда автомобиль неподвижен. Чтобы решить эту проблему, а также обеспечить непрерывный полный привод, генератор (дополнительная электрическая машина) подключается с помощью ремённой передачи к двигателю внутреннего сгорания и вырабатывает электроэнергию для подзарядки тяговых аккумуляторов даже во время остановки авто.
Примером параллельного гибрида с разделением оси является гибрид Peugeot 3008. Эта гибридная система была разработана группой PSA в сотрудничестве с Bosch.
Передний мост приводится в движение 2,0-литровым дизельным двигателем в паре с 6-ступенчатой автоматизированной механической коробкой передач. На задней оси находится электрическая машина с постоянными магнитами мощностью 20/27 (непрерывная / пиковая мощности) кВт, соединенная с редуктором с фиксированным передаточным числом. Вторичная электрическая машина мощностью (генератор для заряда тяговых аккумуляторов) 8 кВт соединена ремнем с двигателем, обеспечивает функцию остановки и запуска двигателя, а также может вырабатывать электричество, необходимое для работы электродвигателя при любых условиях, если это необходимо (режим полного привода).
Последовательная гибридная трансмиссия
В последовательной гибридной трансмиссии двигатель внутреннего сгорания не передает крутящий момент непосредственно на ведущие колеса. Вместо этого двигатель питает электрический генератор, который обеспечивает электроэнергией тяговый электродвигатель. В последовательном гибриде используются две электрические машины:
- электрогенератор (подключен к двигателю)
- электродвигатель (связан с колесами через редуктор и дифференциал)
Есть и другие заметные различия между параллельным гибридом и последовательным гибридом. Поскольку нет прямой механической связи между двигателем и ведущими колесами, нет необходимости в привычной всем нам коробке передач. Это преимущество с точки зрения компоновки кузова, поскольку для установки двигателя и генератора требуется меньше места.
Также отсутствует сцепление между электродвигателем и ведущими колесами. Это преимущество с точки зрения компоновки корпуса, но оно не позволяет автомобилю двигаться накатом, поскольку электродвигатель всегда будет подключен к ведущим колесам.
Что касается функций трансмиссии, последовательный гибрид способен на:
- Остановка и запуск двигателя
- Рекуперация энергии
- Электрическое вождение
- Зарядка в состоянии покоя (когда автомобиль стоит на месте с включенным двигателем внутреннего сгорания генератор будет заряжать тяговый аккумулятор)
Обе электрические машины должны иметь такую же номинальную мощность, что и двигатель внутреннего сгорания. Поскольку скорость автомобиля не зависит от частоты вращения двигателя внутреннего сгорания, рабочая точка ДВС (скорость и крутящий момент) может быть выбрана для достижения максимальной топливной эффективности. Это преимущество при низкой скорости автомобиля, но недостаток при более высоких скоростях авто.
Еще один недостаток последовательного гибрида — двойное преобразование энергии. Если батарея разряжена, энергия, необходимая для вращения колес, поступает от двигателя внутреннего сгорания после того, как она преобразуется в электрическую энергию. Это еще больше снижает общую эффективность трансмиссии, когда ДВС является основным источником энергии.
Поскольку последовательный гибрид не является гибким с точки зрения выходной мощности для широкого диапазона возможных скоростей автомобиля, он не подходит в качестве архитектуры гибридной трансмиссии для автомобилей, которые будут ездить как на скоростных трассах, так и по городу. Тем не менее, за счет установки ДВС меньшего размера и мощности, последовательный гибрид становится электромобилем с увеличенным запасом хода (REEV).
Последовательно-параллельный гибридный автомобиль
Последовательный гибрид становится последовательно-параллельным гибридом за счет добавления механического соединения (сцепления) между двумя электрическими машинами. Преимущество этой архитектуры заключается в том, что на низких скоростях с разомкнутым сцеплением трансмиссия ведет себя как последовательный гибрид, работая с двигателем в наиболее эффективной рабочей точке. На высокой скорости автомобиля сцепление замыкается, и двигатель может передавать крутящий момент на ведущее колесо, таким образом трансмиссия становится параллельно-гибридной.
По сравнению с последовательным гибридом, последовательно-параллельный гибрид имеет преимущество — уменьшение номинальной мощности генератора, поскольку избыточная мощность двигателя может передаваться непосредственно на ведущие колеса. Недостаток в том, что, добавляя механическое соединение (сцепление), мы теряем гибкость с точки зрения габаритов.
Что касается функций трансмиссии, последовательно-параллельный гибрид способен:
- Остановка и запуск двигателя
- Рекуперация энергии
- Усиление крутящего момента
- Вождение в режиме электромобиля
- Зарядка в состоянии покоя (когда автомобиль стоит на месте с включенным двигателем внутреннего сгорания генератор будет заряжать тяговый аккумулятор)
По сравнению с параллельным гибридом, последовательно-параллельный гибрид использует две электрические машины и выполняет те же задачи. По этим причинам архитектура последовательно-параллельной трансмиссии со сцеплением между двумя электрическими машинами не получила широкого распространения у производителей автомобилей.
Гибридная трансмиссия с разделением мощности
Гибридный автомобиль с архитектурой разделения мощности сочетает в себе характеристики параллельного гибрида с характеристиками последовательного гибрида. Гибридная трансмиссия с разделением мощности механически связывает двигатель внутреннего сгорания и две электрические машины с помощью устройства разделения мощности (PSD). Устройство разделения мощности обычно представляет собой одиночную планетарную передачу (PSG) или несколько PSG.
Двигатель внутреннего сгорания имеет самую высокую номинальную мощность по сравнению с электрическими машинами. Часть мощности двигателя преобразуется одной электрической машиной в электрическую энергию, причем избыточная мощность передается на ведущее колесо параллельно с мощностью второй электрической машины.
За исключением выбега, гибридная трансмиссия с разделением мощности выполняет все функции полного гибрида:
- Остановка и запуск двигателя
- Рекуперация энергии
- Усиление крутящего момента
- Вождение в режиме электромобиля
- Зарядка в состоянии покоя (когда автомобиль стоит на месте с включенным двигателем внутреннего сгорания генератор будет заряжать тяговый аккумулятор)
Поскольку двигатель всегда связан с ведущими колесами через планетарный ряд, его скорость можно регулировать только в определенных пределах, в зависимости от передаточных чисел планетарной передачи и скорости двух электрических машин. Комбинация двигателя внутреннего сгорания, двух электрических машин и планетарной передачи дает общее поведение бесступенчатой трансмиссии (CVT). По этой причине гибридные электромобили с разделением мощности рекламируются как имеющие бесступенчатую электрическую трансмиссию (ECVT).
Система Hybrid Synergy Drive от Toyota является примером гибридной трансмиссии с разделением мощности.
На низких и средних скоростях автомобиля гибрид с разделением мощности может вести себя как последовательный гибрид, где двигатель приводит в действие одну электрическую машину (генератор), которая, в свою очередь, вырабатывает электричество и приводит в действие вторую электрическую машину (тяговый электродвигатель). На высокой скорости транспортного средства, когда требуется большая мощность, часть мощности двигателя передается непосредственно на ведущие колеса через планетарный ряд, в этом случае гибрид с разделением мощности является параллельным гибридом.
В гибриде с разделением мощности также существует механическая связь между двигателем внутреннего сгорания и электрическими машинами. Из-за этого их рабочие точки (крутящий момент и скорость) всегда взаимозависимы и не могут полностью отделить бензиновый двигатель от электродвигателя. Гибрид с разделением мощности может существенно снизить расход топлива на низкой и средней скорости транспортного средства, но его выгода минимальна на высокой скорости.
В таблице ниже обобщены функции различных типов / архитектур гибридных электромобилей с указанием их преимуществ и недостатков.
| Параллельный гибрид с двумя сцеплениями | Параллельный гибрид с двойным сцеплением (DCT) | Гибрид с разделенным мостом | Последовательный гибрид | Последовательно-параллельный гибрид | Гибридная трансмиссия с разделением мощности | |
| Остановка и запуск двигателя | Да | Да | Да | Да | Да | Да |
| Рекуперация энергии | Да | Да | Да | Да | Да | Да |
| Усилитель крутящего момента | Да | Да | Да | Нет | Да | Да |
| Электрическое вождение | Да | Да | Да | Да | Да | Да |
| Движение накатом | Да | Да | Нет | Нет | Нет | Нет |
| Зарядка при стоянке и заглушенном ДВС | Да | Да | Да | Да | Да | Да |
| Номинальная мощность | Мощность двигателя внутреннего сгорания (ДВС) намного больше, чем мощность электрической машины | Мощность двигателя внутреннего сгорания (ДВС) намного больше, чем мощность электрической машины | Мощность двигателя внутреннего сгорания (ДВС) больше, чем мощность электрической машины | Мощность двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и мощность электрической машины одинаковы | Мощность двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и мощность электрической машины одинаковы — меньшая мощность второй электрической машины | Мощность двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и мощность одной из электрических машин одинаковы — меньшая мощность второй электрической машины |
| Преимущества | — гибкая конфигурация трансмиссии легко интегрируется с существующей традиционной трансмиссией — для работы в режиме гибрида требуется только одна электрическая машина | — требует дополнительного места для установки электрической машины — для работы в гибридном режиме требуется только одна электрическая машина | — постоянный полный привод | — гибкость в установке благодаря отсутствию механической связи между электрическими машинами — двигатель может работать в наиболее эффективной зоне независимо от скорости автомобиля — не требует многоступенчатой трансмиссии | — двигатель может передавать крутящий момент непосредственно на ведущие колеса — не требует многоступенчатой трансмиссии — может переключаться между последовательным и параллельным гибридом | — компактная установка за счет использования планетарной передачи — энергоэффективность при низкой-средней скорости автомобиля |
| Недостатки | — требует, чтобы была также интегрирована полностью автоматическая коробка передач | — крутящий момент элекродвигателя умножается только на половину (нечетную или четную) передаточных чисел | Выбег невозможен из-за постоянного подключения электрической машины — требуется дополнительное место на задней оси | — требуется две электрические машины одинаковой мощности — динамические характеристики автомобиля полностью зависят от крутящего момента и мощности электродвигателей — энергоэффективность из-за двойного преобразования мощности двигателя (механико-электромеханическое) | — требуется две электрические машины — двигатель и электрические машины механически связаны, что требует дополнительного места | — требуется два электродвигателя — большой расход топлива при высоких оборотах двигателя |
Оставьте комментарий