Press "Enter" to skip to content

Понимание микро-, мягких, полных и подключаемых (плагин) гибридных электромобилей

Большинство транспортных средств, используемых во всем мире, по-прежнему оснащены двигателями внутреннего сгорания (ДВС), бензиновыми / газовыми или дизельными. Гибридный электромобиль (HEV) имеет как минимум два источника энергии для движения — двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель.

Производители автомобилей разрабатывают и продают гибридные автомобили по трем основным причинам:

  • снижение выбросов CO2 (за счет снижения расхода топлива)
  • снижение токсичных выбросов выхлопных газов
  • улучшение динамики трансмиссии (за счет увеличения общей мощности и крутящего момента)

Трансмиссия HEV довольно сложна, потому что она содержит все компоненты автомобиля с ДВС, а также большинство компонентов электромобиля (EV). Также, в зависимости от уровня гибридизации, ему нужны два источника энергии: топливный бак для двигателя внутреннего сгорания и аккумулятор для электродвигателя.

Гибридная трансмиссия Toyota Prius V

Если у нас есть автомобиль с ДВС, чтобы «переделать» его в гибрид, нам нужно добавить:

  • аккумулятор высокого напряжения (от 200 до 400 В)
  • контроллер силовой электроники (инвертор)
  • электродвигатель
  • преобразователь постоянного тока в постоянный (DC-DC)

Основные недостатки гибридных автомобилей — увеличение веса транспортного средства из-за дополнительных электрических компонентов, его труднее собрать, а общая стоимость покупки и владения увеличивается (по сравнению с автомобилем с ДВС).

В большинстве HEV в качестве тягового электропривода используется электродвигатель с постоянными магнитами. Основными преимуществами электрической машины по сравнению с ДВС являются:

  • постоянный высокий крутящий момент на низких скоростях
  • очень высокий КПД
  • крутящий момент развивается практически мгновенно
  • возможность рекуперации энергии (при торможении электродвигатель вырабатывает электроэнергию, которая заряжает тяговый аккумулятор)
Гибридная трансмиссия Chevrolet Malibu

Где: 1 — двигатель внутреннего сгорания объемом 1,8 л и электропривод, 2 — система высоковольтных литий-ионных батарей

По сравнению с обычным силовым агрегатом, скомбинировав электродвигатель и ДВС в одном автомобиле, мы получаем следующие преимущества:

  • Обеспечивая поддержку крутящего момента с электродвигателем, ДВС может работать в наиболее экономичном режиме (скорость и крутящий момент)
  • ДВС можно уменьшить в размерах, сохранив при этом постоянный общий крутящий момент и мощность трансмиссии, благодаря помощи электродвигателя.
  • кинетическая энергия транспортного средства во время торможения может быть преобразована в электрическую, и сохранена в высоковольтной батарее с помощью тягового электродвигателя, работающего в режиме генератора
  • крутящий момент трансмиссии может быть улучшен благодаря мгновенной передаче крутящего момента электродвигателем
  • передаточные числа трансмиссии могут быть снижены, чтобы двигатель работал на более низких оборотах (максимально низкий расход топлива), поскольку электродвигатель может передавать мгновенный запрос крутящего момента от водителя

Имея два источника энергии, гибридная система управления должна решить, каков крутящий момент между ДВС и электрической машиной, в зависимости от действий водителя и рабочего состояния автомобиля.

Гибридный электромобиль может выполнять как минимум одну или несколько из следующих функций:

  • остановка / запуск двигателя на холостом ходу
  • электрическая поддержка крутящего момента (дополнение и усиление)
  • рекуперация энергии (рекуперативное торможение)
  • движение на электродвигателе
  • зарядка аккумулятора (во время движения)
  • зарядка аккумулятора (от сети)

Гибридный электромобиль также называется полностью гибридным электромобилем (FHEV), чтобы отличаться от других типов гибридных электромобилей (мягких и подключаемых к сети).

Режимы полного гибридного электромобиля (FHEV)

Где: ENG — двигатель внутреннего сгорания (internal combustion engine), MOT — электродвигатель, TX — трансмиссия (transmission), BATT — высоковольтная батарея (high voltage battery), PE — модуль силовой электроники (контроллер ТО)

Функция остановки / запуска на холостом ходу

Когда автомобиль неподвижен, функция остановки / запуска (S&S) выключает двигатель внутреннего сгорания без вмешательства водителя (через ключ зажигания). Эта функция снижает общий расход топлива автомобиля. Когда водитель демонстрирует намерение ехать (педаль сцепления нажата или педаль тормоза отпущена), двигатель автоматически снова запускается.

Большинство автомобилей с функцией остановки / запуска на холостом ходу имеют также какую-то функцию управления энергопотреблением, которая оптимизирует потребление энергии аккумуляторной батареи низкого напряжения (12 В). В обычном автомобиле с ДВС без какого-либо «управления энергией» основная функция низковольтной батареи состоит в выработке электроэнергии, необходимой для запуска двигателя (вращение стартера). После запуска двигателя электрическая энергия для всех потребителей электроэнергии подается генератором переменного тока (генератор или динама), работа которого, в свою очередь, создает дополнительный крутящий момент нагрузки двигателя..

Если в автомобиле есть функция управления энергопотреблением, даже при работающем двигателе аккумулятор подает электроэнергию потребителям. Таким образом, генератор не вырабатывает электрическую энергию, момент нагрузки генератора почти равен нулю и расход топлива снижается. Кроме того, аккумулятор перезаряжается, когда двигатель работает в наиболее экономичных режимах или когда транспортное средство тормозит (за счет рекуперации энергии).

Двигатель Renault 1.6 dCi (микро гибрид)

Примером функций остановки / запуска на холостом ходу и управления энергопотреблением является двигатель Renault 1.6 dCi. Он оснащен функцией Energy Smart Management (ESM), которая позволяет аккумулировать энергию, создаваемую при торможении, в низковольтной батарее, помогая еще больше снизить расход топлива.

Автомобили, которые имеют функции остановки / запуска на холостом ходу и функции управления энергопотреблением, называются микрогибридами.

«Электрический» крутящий момент

Электродвигатель может обеспечить дополнительный крутящий момент на колеса, улучшая общую реакцию трансмиссии на крутящий момент. Есть два типа поддержки крутящего момента:

  • Заполнение крутящего момента
  • Повышение крутящего момента

Когда водитель нажимает на педаль акселератора, он «запрашивает» больший крутящий момент от трансмиссии. Двигатель внутреннего сгорания (особенно дизельный) имеет определенную задержку в передаче требуемого крутящего момента. Задержка отклика крутящего момента двигателя внутреннего сгорания на нажатие педали газа имеет несколько причин:

  • инерция воздуха во впускном клапане
  • механическая инерция движущихся частей
  • ограничение крутящего момента (для предотвращения «дымовой завесы»)

В этих ситуациях, называемых переходными процессами крутящего момента (двигатель меняет рабочую точку), электродвигатель может помогать двигателю внутреннего сгорания, обеспечивая дополнительный крутящий момент, который компенсирует задержку отклика крутящего момента ДВС. Эта функция называется заполнением крутящего момента.

Трансмиссия Honda IMA (MHEV)

Двигатель внутреннего сгорания имеет максимальный крутящий момент, который зависит от частоты вращения двигателя. За счет добавления крутящего момента электродвигателя к крутящему моменту ДВС максимальный общий крутящий момент трансмиссии увеличивается (положительное смещение). Эта функция называется повышением крутящего момента и может действовать только на короткое время (порядка секунд) из-за быстрого разряда батареи.

Функция поддержки электрического крутящего момента обычно обеспечивается мягкими гибридными электромобилями (MHEV), полногибридными электромобилями (FHEV) и подключаемыми гибридными электромобилями (PHEV).

Когда и двигатель внутреннего сгорания, и электродвигатель вместе обеспечивают крутящий момент для ускорения транспортного средства, транспортное средство находится в гибридном / параллельном режиме.

Рекуперация энергии (рекуперативное торможение)

Когда водитель нажимает на педаль тормоза, автомобилю необходимо снизить скорость. В основном нам нужен тормозной момент на колеса, чтобы снизить скорость автомобиля. Общий требуемый тормозной момент на колеса может быть достигнут несколькими способами:

  • только через фрикционные тормоза (гидравлические тормоза)
  • через фрикционные тормоза плюс трансмиссию

Если автомобиль имеет обычную трансмиссию, только с двигателем внутреннего сгорания, когда водитель тормозит, впрыск топлива прерывается (уменьшается подача топлива) и двигатель вместо крутящего момента начинает создавать тормозной момент. Величина тормозного момента создаваемого двигателем внутреннего сгорания равна суммарным потерям крутящего момента двигателя (крутящий момент на трение + насосные потери + вспомогательные устройства).

Концепт Audi Prologue (микрогибрид)

Где: 1 — электродвигатель на 48 В, 2 — литий-ионный аккумулятор 48 В, 3 — аккумулятор 12 В, 4 — DC-DC преобразователь (двунаправленный), 5 — электрическая система автомобиля 12 В.

В гибридном электромобиле, когда водитель нажимает на тормоз, электродвигатель переходит в генераторный режим (вырабатывает электроэнергию и тормозной крутящий момент), повышая тормозную способность трансмиссии. Во всех гибридных электромобилях при торможении автомобиля электрическая машина работает в режиме генератора. Кинетическая энергия автомобиля раскручивает ротор электродвигателя, преодолевая его отрицательный крутящий момент, и вырабатывает электрическую энергию. Количество электроэнергии, генерируемой (собираемой) при торможении (рекуперация / регенерация), зависит от мощности электрической машины.

Использование электродвигателя при вождении

Если электрическая машина достаточно мощная, транспортное средство может двигаться в электрическом режиме (EV). В этом режиме двигатель внутреннего сгорания выключен, и электродвигатель обеспечивает необходимый крутящий момент для приведения в движение транспортного средства.

В случае полностью гибридных электромобилей электрический (нет подзарядки от сети) режим возможен только до скорости автомобиля 5-10 км / ч из-за ограниченного количества энергии, доступной в батарее. В случае подключаемых к электросети гибридных электромобилей высоковольтная батарея имеет более высокую емкость, при этом режим электромобиля возможен до скорости 90–100 км / ч.

Зарядка аккумулятора (во время движения)

Каждая батарея имеет минимальный уровень заряда (SOC), который необходимо поддерживать, чтобы избежать необратимого повреждения. Состояние заряда представляет собой теоретическое количество электроэнергии, доступной в аккумуляторе. Если SOC батареи составляет 100%, это означает, что существует максимальное теоретическое количество электроэнергии, которое можно использовать. Если минимальное значение SOC для батареи составляет 20%, мы можем использовать только 80% от теоретического максимума.

Трансмиссия Mitsubishi Outlander (подключаемый гибрид)

В зависимости от размера, мощности и химического состава аккумулятора минимальный уровень заряда различается. В таблице ниже представлен синтез минимальной функции батареи SOC для типа гибридного электромобиля:

Тип гибридного электромобиляМикро гибрид (S&S)Мягкий гибрид (MHEV)Полный гибрид (FHEV)Плагин-гибрид (PHEV)
Минимальный уровень заряда батареи [%]80 — 9040 — 6030 — 5010 — 20
Напряжение тягового аккумулятора [В]1248 / 160200 — 300300 — 400
Химический состав аккумулятораСвинцово-кислотныеЛитий-ионный / никель-металлогидридныйЛитий-ионныйЛитий-ионный

В любом гибридном электромобиле функция уровня заряда аккумулятора может находиться в нескольких состояниях:

  • заряд истощен
  • поддержка заряда
  • зарядка
Трансмиссия BMW i8 (плагин гибрид)

Когда аккумулятор полностью заряжен, электроэнергия доступна для использования. В этом случае аккумулятор находится в режиме полного заряда. Когда SOC батареи достигает минимального уровня, двигатель внутреннего сгорания отвечает за зарядку батареи, чтобы заряд не опускался ниже минимального уровня. В этом случае аккумулятор находится в режиме поддержания заряда. Когда автомобиль тормозит, кинетическая энергия автомобиля преобразуется в электрическую и накапливается в аккумуляторе. В этом случае аккумулятор находится в режиме зарядки.

Зарядка аккумулятора (от сети)

Что касается зарядки аккумулятора, основное различие между полностью гибридным электромобилем и подключаемым к электросети электромобилем заключается в том, что PHEV также можно заряжать, подключив его к розетке. Модуль управления силовой электроникой подключаемого к сети гибридного электромобиля содержит выпрямитель, который преобразует переменный ток с розетки (АС) в постоянный ток (DC) и накапливается в высоковольтной батарее.

BMW 330e PHEV зарядка от сети

В зависимости от функций, которые может выполнять электрическая система, мы различаем следующие типы гибридных электромобилей:

Функции Тип гибридного электромобиля
Микро гибрид (s&s) Мягкий гибрид (mhev) Полный гибрид (fhev) Плагин-гибрид (phev)
Остановка / запуск на холостом ходу + + + +
Электродвигатель помогает ДВС вращать колеса (дополняет и повышает крутящий момент ДВС) + + +
Рекуперация энергии (рекуперативное торможение) + + + +
Вождение чисто в электрическом режиме + +
Зарядка тяговой батареи (во время движения) + + + +
Зарядка тяговой батареи (от электросети) +

В случае мягких гибридных электромобилей (MHEV) есть два различных типа:

  • со встроенным стартер-генератором с ремённой передачей к коленчатому валу (BiSG)
  • с стартер-генератором на маховике

В стартер-генераторе с ремённой передачей к коленчатому валу (BiSG) используется электрическая машина, установленная на переднем приводе вспомогательных агрегатов (FEAD) и соединенная с двигателем внутреннего сгорания ремнем. Это наиболее распространенное решение, используемое производителями автомобилей для мягких гибридных электромобилей. Valeo разработала систему BiSG для MHEV, которую используют несколько производителей автомобилей.

Система ленточного стартера-генератора Valeo (мягкий гибрид)

Стартер-генератор со встроенным коленчатым валом (CiMG) использует электрическую машину, установленную на коленчатом валу, между двигателем и трансмиссией. Примером системы CiMG является технология Integrated Motor Assist (IMA) от Honda. Основное различие между BiSG и CiMG заключается в том, что в решении с стартер-генератором, интегрированным в коленчатый вал через ремённую передачу, используется более мощная электрическая машина и аккумулятор с более высоким напряжением и емкостью.

В приведенной ниже таблице вы можете найти основные типы гибридных электромобилей с точки зрения напряжения батареи, мощности электрической машины и потенциальной экономии топлива:

ПараметрМикро гибрид (S&S)Мягкий гибрид (MHEV)Полный гибрид (FHEV)Плагин-гибрид (PHEV)
Напряжение аккумулятора [В]1248 — 160 200 — 300300 — 400
Мощность тягового электродвигателя [кВт]2 — 310 — 1530 — 5060 — 100
Мощность генератора [кВт]<310 — 1230 — 4060 — 80
Запас хода в режиме электрического вождения [км]005 — 10<50
Расчетная выгода от сокращения выбросов CO2 [%]5 — 67 — 1215 — 20>20

Оставьте комментарий

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *